Экстрапел — экстремально гидрофобное покрытие¶

Экстрапел (от лат. extra — «вне, сверх» и pellere — «отталкивать») — класс сверхгидрофобных покрытий и материалов, поверхность которых отталкивает воду и другие жидкости с чрезвычайно высокой эффективностью. Капли на такой поверхности практически не смачивают её: они сохраняют почти сферическую форму, легко скатываются при малейшем наклоне и увлекают за собой загрязняющие частицы. Термин применяется как к самим составам, так и к обработанным ими изделиям.

¶Определение и место в классификации

Гидрофобность поверхности количественно описывается краевым углом смачивания — углом между поверхностью и касательной к капле в точке контакта. Для обычных материалов он не превышает 90°, для гидрофобных составляет 90–150°, а для сверхгидрофобных (супергидрофобных) превышает 150°. Экстрапел относят к последней категории, нередко уточняя, что помимо большого краевого угла для него характерен малый угол скатывания — обычно менее 10°, а в лучших образцах — единицы градусов.

Именно сочетание двух параметров — высокого краевого угла и низкого угла скатывания — отличает экстрапел от просто водоотталкивающих покрытий. Поверхность, на которой капля стоит почти шаром, но при этом прочно «прилипает» к ней, супергидрофобной в полном смысле не является.

¶Физические принципы

Эффект основан на двух взаимодополняющих факторах.

Химия поверхности. Материал должен обладать низкой поверхностной энергией. Этого достигают за счёт соединений с длинными углеводородными или фторуглеродными цепями — силанов, фторсиланов, восков, полимеров.

Микро- и нанорельеф. Ключевую роль играет шероховатость: микроскопические выступы и поры удерживают под каплей тонкий слой воздуха. Капля опирается лишь на вершины неровностей, а большая часть её основания контактирует с воздушной подушкой. Такое состояние называют гетерогенным, или состоянием Касси — Бакстера, в отличие от гомогенного состояния Венцеля, когда жидкость заполняет все неровности. Воздушная прослойка резко уменьшает площадь фактического контакта, поэтому капля легко срывается.

Природным прототипом послужил лист лотоса: его восковой налёт и микрорельеф обеспечивают самоочищение — вода скатывается и уносит пыль. Этот эффект получил название «эффект лотоса».

¶Методы получения

Способы создания экстрапела делят на две группы: придание рельефа гидрофобному материалу и гидрофобизация уже шероховатой поверхности.

Распространённый подход — нанесение наночастиц диоксида кремния, модифицированных фторсодержащими силанами, в составе лака или спрея.

¶Свойства

• Водоотталкивание. Капли не растекаются, а собираются в шары и скатываются.
• Самоочищение. Вода уносит пыль, сажу и мелкие частицы.
• Антиобледенение. Капля замерзает позже и отрывается легче, чем на гладкой поверхности, хотя полного предотвращения обледенения не даёт.
• Антикоррозионная защита. Слой воздуха и низкая смачиваемость затрудняют доступ влаги и электролитов к металлу.
• Снижение сопротивления. В некоторых случаях уменьшается гидродинамическое трение о воду.
• Оптические эффекты. Развитый рельеф может давать рассеяние и матовость, что ограничивает применение там, где нужна прозрачность.

¶Применение

Экстрапел рассматривают в текстильной промышленности для создания водо- и грязеотталкивающих тканей, в строительстве — для фасадов и стекол с самоочищением, в судостроении — для снижения обрастания и трения корпусов, в энергетике — для защиты линий электропередачи от налипания снега и льда, в медицине — для покрытий инструментов и лабораторной посуды, в электронике — для влагозащиты плат и корпусов.

¶Ограничения и критика

Практическое применение сдерживают несколько проблем. Механическая хрупкость микро- и наноструктур приводит к быстрой потере свойств при истирании и царапинах. Масла и поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение воды и могут проникать в рельеф, разрушая воздушную прослойку. Многие фторсодержащие соединения, обеспечивающие наилучшие результаты, относятся к перфторированным веществам, которые вызывают экологические претензии из-за стойкости в окружающей среде и потенциальной токсичности, что стимулирует поиск альтернатив. Кроме того, покрытия чувствительны к ультрафиолету, высоким температурам и агрессивным средам.

Из-за этого долговечность лабораторных образцов и промышленных изделий заметно различается: эффект, устойчивый в демонстрации, часто утрачивается через несколько месяцев эксплуатации.

¶Перспективы

Основные направления исследований — повышение износостойкости за счёт самовосстанавливающихся и армированных структур, отказ от фторсодержащих компонентов в пользу кремнийорганических и углеводородных составов, а также масштабирование недорогих методов нанесения. Отдельный интерес представляет создание покрытий, устойчивых к низкому поверхностному натяжению жидкостей, — омнифобных поверхностей, отталкивающих не только воду, но и масла.