Nesmočive površine – na nanotehnološki način

Postupak kojim se mogu jednostavno –3D-printanjem – napraviti posve nesmočive površine od praktički svakog materijala novi je uspjeh nanotehnlogije. Primjena? U svim granama znanosti i tehnike

Nenad Raos subota, 24. kolovoza 2019. u 07:00

Kada sam nedavno pisao stručni članak na temu opisa eudiometra (uređaja za mjerenje „dobrote“ zraka) u djelu Josipa Franje Domina naišao sam na zanimljiv detalj. Naime, zagrebački isusovac iz 18. stoljeća kaže da menzuru za mjerenje volumena plinova treba iznutra ohrapaviti smirkom  kako se ne bi zadržavale kapljice vode. Rješenje problema je neobično iako je riječ o nečemu što je po zlu poznato svakom kemičaru, jer jedna jedina kapljica zaostala u pipeti ili bireti može upropastiti analizu. „Prospem li ijednu kap izgubio sam dvije godine rada“, tužio se Jöns Jakob Berzelius, švedski kemičar kojem dugujemo prvu preciznu i kompletnu tablicu relativnih atomskih masa (i suvremeni način pisanja kemijskih formula).

Problem je, kao što rekoh, star, rješenje za njega je staro, pa opet je i danas vrlo aktualan. On ne muči samo kemičare, nego i inženjere najrazličitijih profila, jer o smočivosti površine ovisi hoće li se na njoj lako zadržavati kapljice vode ili kondenzirati rosa: kad biste imali posve nesmočivi vjetrobran na autu, ne biste se trebali bojati da će zahukati niti da će se na njemu nakupiti led.  Usto kroz cijevi s nesmočivim površinama lakše protiče voda, lakše se čiste od ulja i drugih nečistoća… Zato treba pozdraviti korak u tom smjeru kojeg su nedavno napravili kineski znanstvenici.  Oni su izumili nov postupak za stvaranje nesmočivih ili, kako se to stručno kaže, superhidrofobnih površina.

 Postupak („glue + powder“ approach) o kojem su napisali ove godine članak u časopisu Matter vrlo je jednostavan. Prvo se površina presvuče 3,5 mikrometra debelim slojem silikonskog ulja (PDMS), a zatim se na nju nanese – metodom 3D-printanja – prah mikročestica (MPs) ili još sitnijih nanočestica (NPs). Ispitujući 17 vrsta čestica, napravljeniih od 15 vrsta tvari, ustanovili su da (super)hidrofobnost površine malo ovisi o fizičko-kemijskim svojstvima polazne tvari –  mnogo je važniji njihov oblik i veličina: manje i hrapavije čestice stvaraju općenito hidrofobnije površine. To je dakako odlična vijest, jer se zahvaljujući toj zakonitosti mogu prirediti hidrofobne površine najrazličitijih svojstava. Kineski su znanstvenici uspjeli svojom metodom napraviti superhidrofobne površine od tako različitih tvari kao što je silicijev dioksid (HFS, FS), ugljik (CB), bakar (Cu), fosforescentna (NL) i fluorescentna (FL) boja, teberlinsko modrilo (PB), hitozan (CS), teflon (PTFE)… Te su površine imale kut pod kojim se kapljica vode počinje kotrljati od samo nekoliko stupnjeva. Za nanočestice titanijeva dioksida, iako je TiO2 sam po sebi hidrofilan (a ne hidrofoban), taj kut iznosi samo 0,6 stupnjeva. Rekord pak drže nanočestice hidrofobnog silicijeva dioksida (HFS), kod kojih kut kotrljanja kapljice iznosi tek 0,4 stupnja.  

Kao što rekoh, mnogo je mogućih primjena nesmočivih (superhidrofobnih) površina. Tkanina koja svoju nesmočivost duguje česticama ugljika može voditi električnu struju i, zbog velikog omskog otpora, grijati odjeću koja je od nje napravljena, a usto uvijek biti suha. No meni je kao kemičaru ipak najzanimljivija upotreba nesmočive površine kao uređaja za mjerenje kiselosti otopine.

Kiselost se otopine, njezina pH-vrijednost mjeri na dva načina. Prvi je kolorimetrija, gleda se promjena boje indikatora. Druga je metoda potenciometrija, mjeri se potencijal staklene elektrode (pH-metar). Prva je metoda jednostavna, no nije pogodna za mutne i obojene otopine. Druga je metoda točna i pouzdana, no komplicirana: treba imati nimalo jednostavan uređaj i znati se njime (nimalo jednostavno) služiti. No ono što predlažu kineski znanstvenici za mjerenje kiselosti nije drugo nego blago nagnuta pločica premazana superhidrofobnim slojem.

 Riječ je o tome da adhezija kapljice ovisi o kiselosti:  kapljice neutralnih otopina slabije će prijanjati za superhidrofobnu površinu od kapljica kiselina ili lužina.  To opet znači da će kisele ili lužnate kapljice sporije kliziti, te će se na kraju posve zaustaviti. Sada treba samo izbaždariti pločicu u pH-jedinicama (udaljenost zaustavljanja kapljice u ovisnosti od vrijednosti pH otopine) – i evo jednostavnog i pouzdanog mjerača kiselosti!  

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu, a u posljednje vrijeme i za mrežne stranice Zg-magazin te, naravno, BUG online. Autor je i 13 znanstveno-popularnih knjiga od kojih je posljednju, „The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life“ (izišlu 2018. godine), napisao na engleskom jeziku. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.