Uudet pinnat hylkivät vettä öljyn alla ja öljyä veden alla

Jos kaadat hieman vettä uudelle teflonpannullesi, pisarat eivät pysy paikallaan. Pannu ei kostu ollenkaan vaan vesipisarat palautuvat ruisleipää muistuttavaan muotoon. Jos taas kaadat vähän öljyä pannulle, se pysyy siinä hieman paremmin, koska – toisin kuin vesi – öljy pystyy hieman kostuttamaan pannun pintaa.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uusia pintamateriaaleja, joita sekä veden että öljyn on erittäin hankala kostuttaa. Monet jo käytettävät pinnoitteet tarvitsevat ilmaa nesteen ja kiinteän pinnan väliin näiden erottamiseksi toisistaan. Nyt kehitetyt uudet pintamateriaalit eivät tätä tarvitse, joten ne toimivat öljy- ja vesipisaroita hylkivästi myös silloin, kun toinen neste on jo ne peittänyt.

Aalto-yliopistossa kehitetyt uudet kaksoissuperlyofobiset pinnat hylkivät sekä vettä, silloin kun ne ovat öljyn peittämiä, että öljyä, kun pintoja peittää vesi. Tähän asti tutkijat ovat pitäneet näitä toisiaan poissulkevina ominaisuuksina, joiden ei pitäisi olla mahdollisia samalla pinnalla.

Erilaisia sovelluskohteita

”Jo nyt monissa eri sovelluksissa hyödynnetään sitä, että pinnat toimivat eri tavoin öljyn ja veden kanssa. Uutta tapaamme suunnitella pintoja voidaan hyödyntää monissa eri yhteyksissä. Tekniikan avulla voidaan tehdä esimerkiksi itsestään puhdistuvia ja likaa hylkiviä pintoja”, kertoo Xuelin Tian. Tian oli Aalto-yliopistossa tutkijatohtorina ennen siirtymistään professoriksi Kiinaan Sun Yat-Sen -yliopistoon.

Nestettä hylkivät pinnat ovat hyvin tärkeitä useilla aloilla. Esimerkiksi meriteollisuus käyttää äärimmäisen voimakkaasti öljyä hylkiviä pintamateriaaleja estääkseen öljysaasteita tai pieneliöitä likaamasta vedenalaisia pintoja. Toisaalta jos pintamateriaali on erittäin voimakkaasti vettä hylkivä myös öljyn alla, kosteus pinnalla vähenee ja tämä vähentää ruostumista.

”Tällaisia pintamateriaaleja voi pitää ympäristöherkkinä materiaaleina, mikä tarkoittaa, että pinnan kostuvuus muuttuu sen mukaan, minkä nesteen kanssa se joutuu ympäristössään tekemisiin. Toisin kuin muut ympäristöön reagoivat pinnat, uudenlaiset pinnat eivät perustu orgaaniseen molekyyliuudelleenmuunteluun, mikä antaa mahdollisuuden tehdä uudella tavalla älykkäitä materiaaleja. Kun pintoja käsitellään huokoisina, niitä voidaan käyttää sekä öljy-vesiemulsioiden että vesi-öljyemulsioiden erotteluun. Nykyiset öljyä ja vettä erottelevat materiaalit toimivat vain yhden emulsiotyypin kohdalla”, kertoo apulaisprofessori Robin Ras Aalto-yliopistosta.

Kaksi suunnittelutapaa

Tutkijat ehdottavat materiaalien suunnitteluun kahta tapaa, jotka perustuvat nestetäyttämiseen ja kiinteään komposiittirajapintaan. Tavat johtavat pysyvään ilmattomien öljy- ja vesikalvojen muodostumiseen pintakuviossa. Tällaiset nestekalvot mahdollistavat sekä öljynalaisen superhydrofobisuuden, vedenhylkivyyden öljyn alla, että vedenalaisen superoleofobisuuden, öljynhylkivyyden veden alla.

Pinnat on valmistettu yhdistämällä topografian muuntelu siihen tarkasti sopivaan pintakemiaan. Tutkimustulos on äskettäin esitelty Advanced Materials -julkaisussa.

Lisätietoja:
Apulaisprofessori Robin Ras
[email protected]
050 432 6633
Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Artikkeli:
Xuelin Tian, Ville Jokinen, Juan Li, Jani Sainio, Robin H. A. Ras: Unusual Dual Superlyophobic Surfaces in Oil-Water Systems: The Design Principles.  Advanced Materials 2016.