27 februari 2019

Så funkar ytor som inte gillar vatten

Artikel från KTH – Kungliga Tekniska högskolan

Vad har hoppstjärten, lotusblomman och daggkåpan gemensamt? Deras skal och blad är så sinnrikt konstruerade att dessa klara av att stöta bort vatten och därmed smuts. Termen för detta är superhydrofoba ytor, och nu har ett samarbete där bland forskare från KTH ingår kartlagt hur effekten uppstår. Forskarna hoppas att de nyvunna kunskaperna ska leda fram till självrengörande och isfria ytor på allt från ytterkläder till vindkraftverk.

Vissa djur och växer i naturen har sedan urminnes tider varit experter på att förhålla sig till vätskor som vatten. Två exempel är lotusblommans självrengörande blad och hoppstjärtens skal som stöter bort vätskor med låg ytspänning för att inte smutsas ner i en skitig miljö.

De här superhydrofoba ytor har forskarna känt till under en längre tid, och man har bland annat gjort studier på kontaktvinklar mellan materialytor och vätskor.

Superhydrofob yta skådad i ett mikroskop.

I ett samarbete mellan KTH, Rise, Omya och Max Planck-institutet för polymerforskning har forskarna dock gått ett steg längre, och kunnat visa vilken mekanism det är som gör att vätskor stöts bort från ytorna.

– Vi har för att förstå vad som händer, tittat in mellan två ytor som har egenskapen att de stöter bort vätska. Vi har påvisat vad som styr vätskeavvisningen genom mikroskopiska mätningar och kombinationen av kraftmätningar och så kallad konfokal mikroskopi, säger Agne Swerinv adjungerad professor vid avdelningen för yt- och korrosionsvetenskap vid KTH.

– Luft från lagret mellan två ytor, eller mellan vätska och yta i verkligheten, dras in till en vätskefri zon som då växer till i volym och fortsätter att ge vätskeavvisning upp till flera mikrometers avstånd. Från kraftmätningarna och mikroskopibilderna kan vi beräkna egenskaperna i detalj.

Många användningsområden

De nya kunskapernas om superhydrofoba ytor har många olika användningsområden. Ytorna skulle kunna användas i livsmedelsförpackningar, båtskrov och för utomhustextilier. Vindkraftverkens rotorblad skulle kunna hållas isfria, och så även värmeväxlare som luftvärmepumpar. Effekten skulle bland annat bli mindre kostsamt underhåll samt apparater som drar mindre energi och håller längre.

De detaljerade studierna har möjliggjorts genom ny, experimentell utrustning som medger samtidig mätning av krafter mellan ytor och avbildning av den vätskefria zonen mellan ytorna.

– Vi visar att superhydrofobitet egentligen består av flera olika processer som resulterar i mer kortväga krafter i tiotals till hundratals nanometer och långväga krafter på flera mikrometer. Med ökad andel långväga krafter ökar också graden av vätskeavvisning. Vi tror att resultatet kan leda till bättre förståelse för hur även kommersiellt tillgängliga ytbehandling för vätskeavvisning ska tillverkas, förbättras och användas.

Han tillägger att nästa utmaning för forskarna blir att klargöra om samma mekanismer förklarar även hur oljor och andra vätskor med låg ytspänning stöts bort från ytor.