As tecnologias de engenharia de materiais visam controlar a molhabilidade e a repelência a líquidos de superfícies de materiais para diversas aplicações dentro e fora do campo da ciência dos materiais. Em um relatório recente sobre Avanços da Ciência , Yue Liu e uma equipe de pesquisadores dos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, e Química e Engenharia Molecular na China desenvolveram um conceito geral para desenvolver superfícies metálicas porosas com excepcionalmente poderoso, recursos do interruptor de molhabilidade. Para projetar as novas superfícies, eles usaram um método extremamente simples, processo de deposição eletroquímica de uma etapa. A equipe ativou a mudança de molhabilidade e manipulou as propriedades repelentes de líquidos, alterando a orientação dos íons dodecil sulfato que foram ionicamente ligados a membranas metálicas porosas durante a eletrodeposição. As superfícies resultantes com molhabilidade ajustável podem reter diversos lubrificantes sob demanda nos poros para criar superfícies porosas com infusão de líquido personalizadas para uma variedade de propriedades repelentes de líquido. A equipe de pesquisa demonstrou as aplicações de membranas porosas com infusão de líquido para criptografia, para controlar a transferência de gotas e para a captação de água. Adicionalmente, os cientistas de materiais revestiram a membrana porosa de prata em uma malha de cobre para projetar um comporta de líquido anti-incrustante para permitir a passagem de óleo ou água mediante solicitação.

Na engenharia de materiais, pesquisadores pretendem desenvolver propriedades interfaciais reversivelmente comutáveis ​​para diversas aplicações de sistemas microfluídicos, para a coleta e transporte de água, bem como separadores, sensores e sistemas de entrega de drogas. Os cientistas de materiais estudaram extensivamente essas superfícies comutáveis ​​de umedecimento controladas por meio de estímulos externos, incluindo luz, valor do PH, tratamento térmico e eletroquímico, contra-íons e potenciais elétricos. No presente trabalho, Liu et al. relatou um extremamente simples, abordagem de eletrodeposição de uma etapa para projetar superfícies metálicas porosas com capacidades de comutação de molhabilidade robustas acopladas a excelentes propriedades repelentes de líquido que diferiam dos mecanismos relatados anteriormente para projetar um novo interruptor de molhabilidade.

Umectabilidade reversível de engenharia em superfícies porosas eletrodepositadas

Liu et al. modulou a orientação dos íons dodecil sulfato que se ligaram ionicamente à membrana porosa durante a eletrodeposição para estabelecer a molhabilidade da superfície reversivelmente ajustável. Por exemplo, quando as cadeias de dodecil apontam para fora, a membrana reteve a superhidrofobicidade (ódio à natureza). Em seguida, os pesquisadores usaram potenciais elétricos para fazer a transição da molhabilidade do estado superhidrofóbico (ódio à água) para o estado superhidrofílico (amante da água). Eles confirmaram as mudanças na orientação da superfície iônica usando medições de espalhamento Raman aprimorado pela superfície (SERS). Com base na evolução induzida por orientação iônica de superfícies porosas eletrodepositadas, a equipe de pesquisa prendeu firmemente diversos lubrificantes dentro dos poros para formar diferentes "superfícies porosas com infusão de líquido escorregadio (SLIPS)" para múltiplas aplicações.

A nova técnica terá um potencial significativo em diversas aplicações termoquímicas devido à sua simplicidade de engenharia, versatilidade e baixo custo. Para formar o interruptor reversível de molhabilidade, os pesquisadores primeiro eletrodepositaram uma membrana porosa de prata em um wafer de silício coberto de ouro em uma solução eletrolítica contendo nitrato de prata e dodecil sulfato de sódio (SDS). Conforme o cronograma de eletrodeposição aumentou, a rugosidade da membrana aumentou gradualmente, depois de quatro minutos, a membrana resultante era superhidrofílica. With the assistance of organic liquids as well as with water containing a minute amount of ethanol (one percent in volume), the scientists could induce the transition of wettability from superhydrophillic (or superoleophillic; water loving) to superhydrophobic (water hating). The instant transition indicated high sensitivity of the membrane toward organic reagents. The water contact angle also increased (hydrophobic character) when they simply exposed the silver porous membrane to an ethanol atmosphere (i.e organic reagent).

Understanding the mechanism of wettability transition

The research team conduced systematical studies to reveal the underlying mechanisms of wettability transition, first by using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for surface analysis. They proved the existence of SDS ions within the silver porous membrane to form a monolayer structure similar to a previously well-studied surface. Liu et al. hypothesized that hydrophobic dodecyl chain tails hid inside the pores of the freshly prepared silver porous membrane– prompting the silver membrane to initially demonstrate hydrophilicity due to the exposed, hydrophilic sulfate heads.

When the superhydrophillic surface then encountered organic reagents such as ethanol, the hidden dodecyl chain tails changed orientation to face the organic liquids due to their mutually strong affinity. Due to challenges of proving the changing orientation of the dodecyl chains on the rough porous membranes using conventional scanning tunneling microscopy or atomic force microscopy, the team used SERS. The SERS intensity, which mapped the interactions between dodecyl ionic chains and silver sulfate surface, confirmed the transition that facilitated the membrane wettability switch. When they removed the dodecyl ions using oxygen plasma treatment, they eliminated the wettability switch from the silver porous membrane.

Applications of the technique—encryption and liquid transfer

Having developed a new concept to engineer reversible wettability, the research team developed a variety of applications such as information encryption, droplet transfer, liquid-repellence, fog harvesting, and smart liquid gate as well as oil/water separation. For information encryption, Liu et al. dragged a pencil that behaved as a cathode electrode immersed in a droplet, upon the superhydrophobic surface connected to the positive pole of the power supply to write the letters "ZJU." The surface then transformed to maintain hydrophilicity and when the scientists exposed the surface to water or steam, the encrypted invisible words were revealed due to surface attachment of water droplets. They could change the speed of encryption and remove the hydrophilic track using ethanol to recycle the surface multiple times for reuse. By changing surface properties, they could also induce conditions of hydrophobic encryption. The research team then made use of strong surface adhesion to transfer water droplets across from superhydrophillic surfaces using ethanol-treated silver porous membranes, where droplets adhered on top of the silver membrane for easy transfer.

Harnessing the liquid-repellent properties for additional applications

Depois disso, the research team designed silver porous membranes to change from superhydrophillic SLIPS1 (slippery liquid-infused porous surfaces) to superhydrophobic SLIPS2 to form a repeatable cycle between SLIP1 and SLIP2 surfaces for a desired timeframe. The work described here were a first in study to engineer such complex wetting and liquid-repellent properties with potential for dynamic adjustment to match diverse lubricants. Adicionalmente, bioinspired by the Namib desert beetle that used patterned hydrophilic and hydrophobic elytra (hardened forewing) to retain or remove water droplets, Liu et al. patterned stripes of SLIP2 for excellent water repellence. They engineered surfaces to adhere water molecules for nucleation on hydrophilic surfaces upon exposure to water mist for outstanding fog harvesting efficiency.

Próximo, the scientists electrochemically coated the silver porous membrane onto a copper mesh for applications as a smart liquid gate. While the original superhydrophobicity prohibited the passage of water, when they applied a negative electric potential to the copper mesh, the surfaces became superhydrophilic for the immediate passage of water. The surface property could be interchangeably engineered by exposure to ethanol vapor, for reuse. Liu et al. similarly engineered silver-coated copper meshes for selective water/oil separation, which differed from existing prototypes for efficient oil and water isolation and transfer.

Desta maneira, Yue Liu and colleagues developed a general concept to engineer metallic coatings with switchable wettability liquid repellence using a simple, one-step electrodeposition method. They harnessed the changing orientation of dodecyl sulfate ions ionically bonded to the electrodeposited porous metallic membrane, with organic reagent treatment or an external electric potential to facilitate the wettability switch. They recycled the wettability transition more than 10 times in the study, while forming diverse SLIPS for a variety of applications. The extremely simple and cost-effective materials engineering approach to form switchable wettability and liquid-repellant materials surfaces will have promising applications in liquid/thermal-related fields within and beyond materials science.

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