Material omnifobicO pată de grăsime pe jacheta ta preferată? Un pahar de vin roşu vărsat pe covor? S-ar putea ca în curând să avem la dispoziţie un panaceu pentru astfel de situaţii. Fie că e vorba de apă, ulei sau ketchup, materiale care resping tot ceea ce le atinge sunt pe cale să apară.

 

 

 


Un videoclip în care o pereche de adidaşi de culoare albă şi o sticlă de sirop de ciocolată Hershey joacă rolul principal nu este ceva la care te-ai aştepta să se propage viral pe YouTube. Mai ales dacă nu conţine o relatare a unui post de ştiri local despre o companie de nanotehnologie.

Totuşi, ceea ce se întâmplă atunci când siropul atinge pantofii a generat apariţia a patru milioane de hit-uri şi numărul se află în creştere. În loc să ducă la formarea unei pete de ciocolată, siropul alunecă lăsând pantofii mai curaţi ca niciodată. Care este secretul? Un spray care face ca materialul să respingă aproape tot ce vine în contact cu el.

 


Dacă acest lucru se dovedeşte a fi adevărat, substanţele care înlătură petele nu sunt singurele care vor fi date uitării. Tot ceea ce este îmbibat într-un cort de camping după un weekend ploios în sălbăticie, ecranul smartphone-ului distrus de amprente unsuroase, ketchup-ul care rămâne lipit de sticlă cu încăpăţânare, toate acestea ar putea ceda farmecelor respingătoare ale omnifobiei. Dacă cele mai demonstrative sugestii ar fi crezute, tehnologia ar putea anunţa, de asemenea, apariţia unor avioane mai rapide, a unor nave mai ecologice şi a unor implanturi medicale mai sigure. Deci, este posibil să fie vorba de ştiinţă temeinică sau informaţia este la fel de "alunecoasă" precum materialele propriu-zise?

Vânătoarea în căutarea  materialelor "fobice" a început cu acele substanţe care resping cel mai omniprezent dintre lichidele iritante: apa. Încă din secolul al VI-lea, maiaşii îşi ungeau hainele cu latex, un lichid lăptos pe care îl procurau din arborii de cauciuc pentru ca acestea să devină rezistente la apă, potrivit celor relatate de John Loadman, un chimist specializat în istoria cauciucului. Cu toate acestea, abia în 1820 Scot Charles Macintosh a redescoperit aceste trucuri, când a vopsit o ţesătură cu un lichid lipicios, nociv din cauciuc dizolvat în ţiţei pentru a confecţiona haina de ploaie căreia ulterior i-a dat numele.

A fost o descoperire întâmplătoare care a avut loc aproape un secol mai târziu şi care a probabil a dus la producerea celui mai hidrofob lucru existent în ziua de azi. În 1938, Roy Plunkett de la laboratoarele DuPont din Deepwater, New Jersey se afla în căutarea unor agenţi frigorifici mai buni numiţi cloro-fluoruri de carbon când a dat peste un material cu o suprafaţă de frecare neobişnuit de scăzută. Politetrafluoretilena este acum mai bine cunoscută sub numele sale de brand, adică teflon care căptuşeşte tigăile antiaderente şi Gore-Tex care este o ţesătură respirabilă, impermeabilă.

În curând nu se vor mai lipi

Chiar şi aşa, materialele hidrofobe fiabile sunt încă puţine şi rar întâlnite. Acest lucru se întâmplă într-o oarecare măsură deoarece nu este simplu să intuim exact ceea ce respinge o picătură de ploaie atunci când aceasta aterizează pe un sacou sau o cantitate infimă de ulei care este turnat într-o tigaie. Toate acestea depind de puterea relativă a forţelor de coeziune dintre moleculele aflate în picăturile de lichid şi de forţele care fac ca aceste molecule să adere la suprafaţa pe care aterizează. În cazul în care forţele adezive sunt mult mai puternice, o picătură de lichid îşi va pierde rapid forma, se va răspândi într-o baltă întinsă într-un "unghi de contact" aproape de zero şi va infiltra suprafaţa (vezi schema de mai jos). Dar dacă forţele coezive domină, picăturile vor forma un colier ca un şirag de mărgele, rezultând o sferă cu un unghi mare de contact care în cazul ideal va fi de 180 de grade şi se va putea rostogoli cu uşurinţă sau se va putea scutura. O suprafaţă hidrofobă creează unghiuri de contact mai mari de 90 de grade.

 

Proprietati materiale hidrofobe
credit imagine: New Scientist

Problema apei este aceea că devine excesiv de prietenoasă cu cele mai multe suprafeţe. Moleculele de apă au o distribuţie inegală a sarcinii care tinde să creeze forţe electrostatice adezive între acestea şi suprafeţele care au la rândul lor o distribuţie inegală a sarcinii printre care se numără şi sticla, lâna şi bumbacul. Acest lucru determină răspândirea rapidă a picăturilor şi infiltrarea în cazul ţesăturilor.

Latexul respinge apa deoarece straturile sale încurcate formate din lanţuri de hidrocarburi strâns lipite sunt dificil de pătruns de către moleculele de apă. El are, de asemenea, o sarcină redusă. Politetrafluoretilena este similară: structura sa centrală de carbon este înconjurată de atomi de fluor la care electronii aderă mai strâns decât la oricare alt element. Având în vedere sarcina redusă care a mai rămas, unghiul de contact al apei cu teflonul este de aproximativ 110 de grade.

Dar astfel de perspective chimice pot să se rezume doar la atât. Inspiraţia pentru ceva mai bun a apărut de unde nu ne aşteptam. Plantele au multe motive să dorească să ţină apa la distanţă de frunzele lor, să ţină agenţii patogeni şi praful departe, de exemplu şi să simplifice schimbul dioxidului  de carbon şi oxigenului cu aerul în timpul fotosintezei. În 1997, botaniştii Christoph Neinhuis şi Wilhelm Barthlott de la Universitatea din Bonn, Germania au utilizat microscoape electronice care scanează pentru a afla în ce fel structura frunzelor a 200 de specii de plante afectează modul în care acestea fac acest lucru (Annals of Botany, vol. 79, p. 667).

Una dintre florile care resping apa în modul cel mai performant este lotusul, un simbol al purităţii în multe culturi datorită abilităţii sale de ieşi la suprafaţă din cele mai noroioase ape fără să aibă măcar o urmă de mizerie. Frunzele sale sunt acoperite cu un tip de ceară care, asemeni cauciucului, conţine hidrocarburi care au afinitate scăzută pentru apă. Însă investigaţiile au dezvăluit faptul că acesta nu era singurul secret al lotusului. Ceara este de asemenea constituită din milioane de umflături minuscule. Când picăturile de apă lovesc frunzele de lotus, ele sunt blocate în vârful unor pungi de aer aflate între aceste umflături. Acest lucru le limitează sfera de acţiune la interacţiuni electrostatice cu suprafaţa şi astfel îşi menţin o formă aproape sferică, cu un unghi de contact de 162 de grade, pur şi simplu rostogolindu-se de pe frunze.

Frunzele de lotus au fost numite superhidrofobice şi definite ca un material care determină un unghi de contact mai mare de 150 de grade sau necesită o înclinare de 5 grade sau mai mică pentru a determina picăturile să se rostogolească."A urmat o explozie de studii", spune Michael Nosonovsky, un inginer mecanic de la Universitatea din Wisconsin-Milwaukee.

Reţeta pentru recrearea efectului de lotus în laborator s-a dovedit a fi relativ simplă: se ia un material chimic inert, cum ar fi cel de politetrafluoretilenă şi se înăspreşte suprafaţa prin decaparea acesteia sau sablarea cu nisip. "Îţi propui să fie cel mai de prost vopsit din lume", afirmă Gareth McKinley, un inginer mecanic la Institutul de Tehnologie din Massachusetts.


Lichide dizolvate

Datorită acestor inovaţii inspirate de lotus avem în prezent la dispoziţie tigăi de care nu se lipeşte absolut nimic, care nu sunt acoperite doar cu teflon, având suprafeţe înăsprite microscopic. Există, de asemenea, vopsele hidrofobe şi spray-uri pentru a crea suprafeţe care înlătură apa şi murdăria care au unghiuri de contact de 140 de grade sau mai mari.

Dar acesta avea să fie doar primul pas. "Trecerea de la apă la alte lichide era firească", afirmă Doris Vollmer de la Max Planck Institute for Polymer Research din Mainz, Germania. "Nu este suficient să poţi înlătura doar apa, trebuie să poţi să respingi totul, începând de la sânge până la vinul roşu." Uleiul este ceva ce sperie în mod special: nu numai că este o pacoste pentru suprafeţele din bucătărie, pe care le umple de grăsime şi distruge hainele, dar în locurile în care se prinde poate atrage murdăria şi întreţine coloniile de bacterii. Cele mai afectate sunt suprafeţele care sunt dificil de curăţat, aşa cum este cazul cu implanturile medicale şi cu piesele electronice. Uleiul poate ataca, de asemenea, materiale cum ar fi cele din cauciuc utilizate în mod obişnuit pentru sigilii în cazul vehiculelor cu motoare.

Dar dacă apa este excesiv de prietenoasă ca şi lichid, uleiul este categoric opusul. Moleculele sale tind să fie mai slab atrase una de cealaltă, deci nu este necesară o forţă adezivă considerabilă pentru a învinge coeziunea unei picături atunci când acesta loveşte o suprafaţă. Mai degrabă decât să formeze un şirag de mărgele şi să se desprindă acesta se împrăştie şi se infiltrează, un lucru pe care multe rochii de petrecere terfelite îl pot adeveri.

Depăşirea acestui comportament necesită o abordare mai fină. În 2007, Nosonovsky a demonstrat că atunci când arhitectura rugozităţii unei suprafeţe este corespunzătoare, prin crearea de orificii, colţuri şi crăpături care se curbează înspre ele însele, am putea crea forţe repulsive de suprafaţă care sunt corespunzătoare unor unghiuri de contact uriaşe pentru tot felul de lichide (Langmuir, vol. 23, p. 3157).

A fost perspectivă simplă, dar care a schimbat jocul. "Nu toate rugozităţile sunt distribuite în mod egal", afirmă McKinley. În 2008, el şi echipa au pus-o în practică, gravând proeminenţe în formă de ciuperci pe suprafeţe de dioxid de siliciu pe care le-au numit "microcapişoane", după nişte pietre similare care apar în urma eroziunii şi care au aceeaşi formă. Aceste suprafeţe ar determina uleiul şi apa să formeze sfere şi să se rostogolească, cu unghiuri de contact pentru ambele substanţe de peste 150 de grade. Echipa lui McKinley le-a botezat suprafeţe omnifobe (PNAS, vol. 105, p. 18200).

Începând din acel moment multe grupuri şi-au consolidat şi şi-au modificat modalitatea de abordare, creând cele mai complexe şi repulsive topografii. "Este o demonstraţie frumoasă a comportamentului lichidelor", afirmă Joanna Aizenberg, un chimist de la Universitatea Harvard. Dar a existat o problemă. Structurile la scară micro sau nano sunt deteriorate cu uşurinţă şi în acelaşi timp sunt extrem de scumpe. În cazul produselor comercial utile, a fost necesară o abordare diferită.

Şi în acest caz natura a servit drept sursă de inspiraţie. Sursa de inspiraţie a fost o plantă complet diferită de imaginea pură a lotusului: "planta ulcior" sau "planta aruncătoare", care este carnivoră. Aceste plante devoratoare de insecte îşi capturează prada atunci când aceasta aterizează pe marginea unor urne (frunze modificate, tubulare care servesc drept capcane şi care sunt acoperite cu mici proeminenţe). În condiţiile de umiditate în care creşte această plantă de cultură, între aceste proeminenţe se prelinge un strat de apă care formează o peliculă continuă alunecoasă. După cum bine se ştie, apa şi uleilul nu se amestecă şi atunci când o insectă aterizează pe aceste urne, uleiul de pe picioarele sale este respins, acest lucru determinând hidroplanarea insectei în stomacul plantei.

Anul trecut, Aizenberg împreună cu echipa sa de cercetători au reuşit să reproducă efectul plantelor ulcior cu ajutorul unui material poros gloduros impregnat cu un lubrifiant comercial care, asemeni  politetrafluoretilenei, conţine o cantitate mare de fluor şi atomi de carbon care nu au tendinţa de a interacţiona cu absolut nimic. Suprafeţele poroase alunecoase infiltrate cu lichid care rezultă, numite şi SLIPS (slippery liquid-infused porous surfaces  - suprafaţă poroasă alunecoasă infuzată cu lichid) nu ating unghiul de contact corespunzător. Cu toate acestea, dacă luăm în considerare măsurarea unghiului de înclinare, ele sunt  în mod cert extrem de omnifobe: toate substanţele testate au reuşit să împiedice hidroplanarea atunci când suprafaţa este înclinată cu mai mult de 5 grade  (Nature, vol. 477, p. 443). "Urăşte absolut orice sau, mai bine-zis, toate lucrurile de care ne dorim să scăpăm urăsc suprafaţa noastră", afirmă Aizenberg. Până în prezent aici includem apa, gheaţa, diferite uleiuri, sângele, o invazie de furnici, bileţele adezive pentru notiţe şi diverse bacterii.

Echipa condusă de Aizenberg poate crea chiar şi o suprafaţă netedă, cum ar fi o tablă de metal care devine omnifobică prin acoperirea acesteia cu un strat de spray cu nanostructură şi apoi aplicarea unui lubrifiant. Suprafeţele din categoria SLPI, de asemenea, se "auto-vindecă", orice zgârietură sau imperfecţiune existentă în materialul poros fiind aproape imediat umplută de lubrifiant, care se scurge spontan în fisură. Şi, spre deosebire de materialele inspirate de lotus, suprafeţele umplute cu aer pot fi folosite la temperaturi de până la 250 °C, în condiţii de ploaie torenţială şi la presiuni echivalente cu cele întâlnite prin scufundarea sub apă la o adâncime de 7 km.

Punctele de adeziune

Sună grozav. Dar nu trebuie să ne grăbim, ne avertizează David Quéré, un fizician de la École Polytechnique care se află lângă Paris, în Franţa, care a creat o suprafaţă similară infuzată cu lichid în 2005 (Reports on Progress in Physics, vol. 68, p 2495). El subliniază faptul că problema costurilor nu a dispărut: genul de uleiuri fluorurate necesare pentru a acoperi suprafeţele omnifobice implică un cost de mii de dolari pe litru. Ele sunt, de asemenea, periculoase pentru mediu, dacă nu sunt întrebuinţate în mod corect.

Între timp, Vollmer se întreabă dacă aceste materiale sunt foarte omnifobice. Deşi acestea pot respinge multe substanţe, ele au tendinţa de a da greş atunci când vine vorba de lichide utilizate pe scară largă care au coezivitate mai mică decât petrolul, printre care solvenţii, cum ar fi etanolul, acetona sau benzenul, care se întâlnesc de obicei în medii curate cum ar fi laboratoarele. "Să afirmi că un lucru este omnifobic presupune să îi acorzi o încredere imensă", afirmă ea. "Cred că acesta va fi obiectivul, dar rareori va fi realitatea."

Ea preferă să îşi denumească materialele proprii cu nanotextură care resping apa şi uleiul ca fiind superamfifobice. Create prin arderea particulelor de funingine de pe o suprafaţă de siliciu, producerea acestora nu implică costuri ridicate şi reproduce uşor colţurile şi crăpăturile necesare pentru a respinge atât de uleiul, cât şi apa (Science, vol. 335, p. 67). "Îmi place ideea pentru că tot ce trebuie să iau cu mine la conferinţe pentru a arăta oamenilor cum funcţionează sunt trei chibrituri şi o lamelă de sticlă", afirmă ea. Dar de siliciul este fragil şi, deşi Vollmer se află pe punctul de a obţine brevetul, este puţin probabil că aceste materiale vor fi disponibile în comerţ în curând.

Aizenberg contracarează îndoielile cu privire la materialul ei afirmând că SLIP a fost testat cu lichide, inclusiv cu pentanul, o hidrocarbură care are o tensiune superficială mai mică decât oricare dintre solvenţii care o preocupă pe Vollmer. "Ştim că acest concept va funcţiona, dar acum trebuie să îi creştem proporţiile", afirmă Aizenberg. Echipa ei testează în prezent propunerea pe foi de aluminiu folosite pentru a construi avioane, în speranţa că va putea produce suprafeţe care pot reduce rezistenţa la frânare şi pot preveni acumularea de gheaţă, un motiv des întâlnit printre cauzele întârzierii zborurilor în regiunile reci (ACS Nano, vol. 6, p. 6569). Împreună cu grupul lui McKinley ei încep, de asemenea, alături de US Office of Naval Research un nou proiect, cu scopul de a crea suprafeţe care vor reduce fricţiunea consumatoare de combustibil exacerbată de alge şi moluşte care se ataşează pe părţile exterioare ale navelor şi submarinelor.

Nosonovsky este de acord cu faptul că astfel de aplicabilităţi au un mare potenţial, dar subliniază faptul că încă mai există câteva probleme de soluţionat înainte ca acestea să devină realitate. Pentru început, s-ar impune înlocuirea constantă a lubrifiantului pentru că fiecare picătură care rulează pe suprafaţă erodează o porţiune din această suprafaţă.

Dar ce se fac aceia dintre noi care tânjesc după ajutor într-unul din momentele acelea când facem o adevărată criză pentru că ne-am ales cu o pată? În ciuda tuturor promisiunilor făcute de materialele omnifobice, niciunul dintre acestea nu a reuşit să ajungă pe rafturile magazinelor. La începutul acestui an, un grup de cercetători condus de inginerul mecanic Kripa Varanasi de la MIT a anunţat că au produs un înveliş lipsit de toxicitate pentru interiorul sticlelor de ketchup care rezolvă problema constantă a necesităţii de a scutura şi "pălmui" sticla pentru a o putea curăţa de lichidul uneori de neînduplecat, însă în prezent se află în căutarea unor parteneri comerciali.

De aici rezultă interesul pentru formarea de soluţii care resping fixarea ciocolatei. Producătorii sprayului care a devenit star în videoclipul de pe YouTube, Ross Nanotehnology din Lancaster, Pennsylvania, spun că acesta va fi disponibil în Statele Unite până la sfârşitul anului, iar pe plan internaţional un pic mai târziu. Numit NeverWet, acesta nu este comercializat ca omnifobic, deoarece nu poate respinge solvenţi cum ar fi acetona sau etanolul, afirmă Andy Jones, preşedinte al companiei. Deşi el ezită să divulge secretele comerciale, el afirmă că aerosolii sunt realizaţi din nanoparticule care se auto-asamblează atunci când sunt pulverizate pe o suprafaţă şi prezintă un unghi de contact de 165 de grade în cazul apei şi unul aflat în  jurul valorii de 150 de grade dacă este vorba despre ulei.

Deci aceasta este o afirmaţie pe care ar trebui să avem posibilitatea să o testăm în curând pe pielea noastră. Timpul va decide dacă toate aceste caracteristici pe care aceste materiale omnifobice şi alte materiale similare "antisociale" promit să le întrunească vor rezista în timp. Dar având în vedere că e vorba de promisiunea unui viitor fără de pete, este puţin probabil că le vom permite să ne scape în întregime din vedere.


Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului Omniphobia: the stuffs that stick at nothing, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Ecaterina Pavel