Известны различные технологические подходы к созданию самоочищающихся материалов, т.е. таких материалов, которые препятствуют отложению загрязнений на своей поверхности.
Один из таких подходов основан на формировании особой наноморфологии поверхности материалов, благодаря чему они приобретают «эффект листьев лотоса». Как известно, листья лотоса остаются чистыми даже тогда, когда вода вокруг мутная и грязная. Происходит это из-за того, что листья не смачиваются водой, поэтому капли воды скатываются с них, не оставляя следа (рис. 1).
Рис. 1. Капли воды на листьях лотоса
Причина данного явления объясняется тем, что поверхность листьев лотоса покрыта мельчайшими пупырышками высотой около 10 мкм, а сами пупырышки, в свою очередь, покрыты ворсинками ещё меньшего размера (рис. 2).
Кроме того, и пупырышки, и ворсинки покрыты гидрофобным воскоподобным веществом. Благодаря этому значительно сокращается площадь контакта листьев с частицами загрязнений и уменьшается смачиваемость листьев.
Нанотехнологии дают возможность формировать особую поверхность, похожую на массажную щётку. Такая поверхность, иногда называемая «нанотравой» (или «наногазоном») образуется из множества параллельных нанопроволок (наностержней) одинаковой длины, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга (рис. 3).
Рис. 3. Микрофотография «нанотравы» из кремниевых стержней (кремниевые стержни диаметром 350 нм и высотой 7 мкм отстоят друг от друга на расстоянии 1 мкм)
Капля воды, попав на «нанотраву», не может проникнуть между отдельными «нанотравинками», поскольку этому мешает высокое поверхностное натяжение жидкости. Для того чтобы проникнуть между ними, капле надо увеличить её поверхность, а на это необходимы дополнительные энергетические затраты. Поэтому капля покоится на «нанотравинках», между которыми находятся пузырьки воздуха. В результате силы адгезии между каплей и «нанотравой» оказываются очень малыми. Это означает, что капле становится невыгодно растекаться и смачивать «нанотраву», и она сворачивается в шарик, демонстрируя очень большой краевой угол смачивания θ (рис. 4).
Рис. 4. Схема расположения капли на «нанотраве»
Чтобы смачиваемость «нанотравы» сделать ещё меньше, её поверхность покрывают тонким слоем гидрофобного полимера. В этом случае к ней не будут прилипать не только капли воды, но и любые частички грязи, поскольку касаются её лишь в нескольких точках. Поэтому грязь, оказавшаяся на такой поверхности, либо сама соскальзывает с неё, либо увлекается скатывающимися каплями воды.
Такое самоочищение нановорсистой поверхности материала от частиц грязи называют «эффектом листьев лотоса».
Рис. 5. Микрофотография «нанотравы» из золотых стержней, полученная гальваническим осаждением
Одним из возможных способов создания «нанотравы» является гальваническое осаждение металла сквозь пористый слой (например, керамики или полимера) на поверхность металла-основы (рис. 4). Минимальная толщина формируемых при этом отдельных стержней («нанотравинок») зависит от диаметра пор шаблона при осаждении и может составлять 50 нм. За счет большой поверхности «нанотрава» может применяться в качестве теплоотвода или в качестве чувствительного элемента химического сенсора.
«Нанотрава» также может формироваться в процессе глубокого ионного травления кремниевых пластин (рис. 5). Сначала пластина покрывается слоем фторполимера. Затем методом фотолитографии часть поверхности освобождается от полимера, а открывшийся кремний окисляется. Полученная «нанотрава» из оксида кремния проявляет супергидрофильные свойства, а покрытие из фторполимера придает ей супергидрофобность. Таким образом, можно получать на поверхности сложные рисунки из областей с различной смачиваемостью.
Рис. 5. Кремниевая «нанотрава» и схема ее получения: 1 – формирование кремниевой нанотравы путем ионного травления; 2 – нанесение фторполимера; 3 – создание маски при помощи фоторезиста; 4 – итоговая поверхность
Совершенно иной механизм самоочищения имеет место прииспользовании обладающего фотокаталитическим действием диоксида титана (TiO2), который в виде наночастиц вводится в объем материалов либо в виде нанопленки наносится на их поверхность.
Так, свойства бетона могут быть значительно улучшены при введении в него добавок наночастиц TiO2. Эти добавки придают бетону способность к самоочистке, обеспечивая тем самым его белизну и, как следствие, более эстетичный вид построенных из него зданий и сооружений (а также покрытий дорог) в течение длительного времени. Дело в том, что под воздействием солнечного света наночастицы TiO2 работают как фотокатализатор, преобразуя атмосферный кислород и пары воды в атомарный кислород. При этом выделяющегося активного кислорода достаточно для окисления и разложения органических загрязнений, дезодорирования помещений, уничтожения бактерий. Цементные материалы, модифицированные наночастицами TiO2, начали применяться в строительстве с середины 1990-х годов, когда итальянской фирмой Italcementi был разработан цемент марки Bianco TX Millennium для возведения церкви Dives in Misericordia в Риме (рис. 6).
Рис. 6. Церковь Dives in Misericordia, построенная из бетона с добавками наночастиц диоксида титана
Подобный эффект самоочистки достигается с помощью нанопокрытий диоксида титана, наносимых на разные строительные материалы, в частности, на стекла (рис. 13). Так, если покрыть стекло тонкой пленкой, содержащей наночастицы TiO2, то оно приобретает способность не только к самоочищению от органических загрязнителей благодаря фотокаталитическому эффекту наночастиц TiO2, но и к регулируемому пропусканию света. Стекла с таким покрытиями особенно перспективно использовать в теплицах и оранжереях.
В последние годы разрабатываются текстильные материалы, волокна которых покрыты тонкими полимерными гидрофобными пленками, подобными тем, что существуют на внешней поверхности растений, шерсти животных, перьях птиц. Капли воды, попадая на такую ткань, способны скатываться с нее без следа, унося с собой пыль, сажу и другие загрязнения. Для получения таких тканей их волокна обрабатывают полимерными наноэмульсиями соответствующего состава, которые, наряду с гидрофобными наночастицами, могут дополнительно содержать наночастицы TiO2.
Рис. 7. Стеклянный купол Национального театра в Пекине, покрытый пленкой диоксида титана
Еще один возможный способ создания самоочищающихся материалов, в частности, стекол и пластиков – это нанесение на их поверхность тонкой электрочувствительной пленки, которая при осаждении на нее пыли способна с помощью специальных датчиков активироваться и отталкивать частицы пыли.