На продвинутой стадии развития технологии, которая могла бы обеспечить защиту от грязи экранам телефонов, кухонным стойкам, объективам камер и множеству других бытовых предметов, исследователь-материаловед Мичиганского университета представил гладкое, прочное, прозрачное покрытие, которое легко отталкивает воду, масла, спирты и даже арахисовое масло.
Это одно из последних покрытий в серии прорывов в области покрытий лаборатории Аниша Тутея, доцента материаловедения и технологии материалов Мичиганского университета. В терминологии материаловедение это покрытие прозвали «омнифобным» (не смачиваемым) благодаря его способность отталкивать почти все известные жидкости. Команда учёных и раньше предпринимала попытки произвести долговечное покрытие, которое сможет отталкивать лёд и воду – хрупкое омнифобное покрытие. Новое же покрытие является первым прочным и прозрачным, а также легко наносимым практически на любую поверхность.
Учёные рассматривают своё изобретение, как средство защиты от загрязнения поверхности, как в домашних условиях, так и в производственных помещениях. Например, оно может работать на компьютерных дисплеях, столах, полах и стенах.
Аниш Тутея поделился: «У меня самого дома двухлетний ребенок, поэтому для меня этот конкретный проект – не просто наука. Я возлагаю большие надежды на то, как наш проект может сделать наши дома и, например, детски сады, более чистыми. Конечно, мы также рассматриваем множество возможных применений и в промышленности».
Новое покрытие является последним достижением системного подхода команды, которое противоречит традиционному, по большей части экспериментальному, подходу материаловедения. Сопоставляя основные свойства обширного набора веществ, учёные могут математически предсказать, как будет вести себя любые два, если будут объединены. Это позволяет им придумывать почти бесконечное разнообразие комбинаций со специально подобранными свойствами.
Раньше исследователи могли взять очень прочное вещество и очень водоотталкивающее вещество и смешать их вместе, но это не гарантировало получение прочного и водоотталкивающего покрытия одновременно.
Со временем они обнаружили, что намного важнее долговечности и отталкивающей способности – это свойство, называемое «частичная смешиваемость», или способность двух веществ смешиваться правильным образом. Так, химикаты, которые хорошо сыгрываются, совместно создают гораздо более прочный продукт, даже если они менее прочны по отдельности.
Что касается конкретно нового покрытия, особую проблему представляла доработка совместимости веществ и их способности смешиваться. Для создания универсального покрытия, которое является оптически прозрачным и достаточно гладким для того, чтобы отталкивать масла и спирты, команде было необходимо найти ингредиент, который являлся бы одновременно и отталкивающим, и связующим с точно необходимым количеством взаиморастворимости, и обладал способностью присоединиться к широкому спектру поверхностей. Они также требовали от покрытия, чтобы оно оставалось гладким во время обработки и сушки.
Отталкивать воду могут и шероховатые поверхности, создающие крошечные ямы между водой и поверхностью, но такие поверхности не всегда способны отталкивать масла или спирты из-за их более низкого поверхностного натяжения (жидкости). Была необходима очень гладкая поверхность, которая как можно меньше взаимодействует с различными жидкостями, а также нужны были ингредиенты, которые очень хорошо смешиваются, потому что слишком большое фазовое разделение между ингредиентами будет рассеивать свет.
В конечном счете, команда обнаружила, что смесь фторированного полиуретана и специальной водоотталкивающей молекулы, называемой F-POSS, справится с этой задачей. Их рецепт представляет собой смесь, которую можно напылять, намазывать, пропитывать или наматывать на широкий спектр поверхностей, где она плотно связывается. Хотя поверхность и можно поцарапать острым предметом, она долговечна в повседневном использовании. Кроме того, его чрезвычайно точный уровень фазового разделения делает его оптически прозрачным.
Водоотталкивающее средство и связующее вещество смешиваются достаточно хорошо, чтобы создать прозрачное покрытие, но между ними происходит очень небольшое фазовое разделение. Это разделение позволяет F-POSS некоторым образом всплыть на поверхность и обеспечить хороший отталкивающий слой.
Учёные полагают, что покрытие будет недорогим к тому времени, как он достигнет массового рынка. Фторированный полиуретан уже является недорогим, распространённым ингредиентом, и в то время как F-POSS сегодня встречается намного реже и потом дороже, производители в настоящее время наращивают его объёмы для массового производства, что должно значительно снизить его стоимость.
Исследовательская группа также проводит дальнейшие исследования, чтобы гарантировать, не токсичность покрытия для использования в таких местах, как детские сады. По некоторым оценкам, покрытие может выйти на рынок в течение следующих двух лет, а разработчики считают, что защитные покрытия для детей – это только начало.
Покрытие также может использоваться в области охлаждения, выработки электроэнергии и нефтепереработки – всех отраслей промышленности, которые зависят от конденсации жидкостей. Новое покрытие может позволить оборудованию быстрее избавляться от конденсированной воды и химикатов, повышая эффективность до 20%. Это кардинальная перемена для этих отраслей, которые являются одними из наиболее активных потребителей энергии и крупнейших производителей в мире.
