Vés al contingut

Hidrofòbia

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
Per a altres significats, vegeu «ràbia (malaltia)».
una gota de rosada en una cutícula (d'una planta) que resulta hidròfoba

Una substància és hidròfoba (del grec υδρο, hydro = aigua, i Φόϐος, phobos = por) quan té com a propietat física la de ser repel·lida per una massa d'aigua.[1] Les molècules hidròfobes tendeixen a ser no polars i, per tant, prefereixen solvents neutres o no polars. Les molècules hidrofòbiques en aigua sovint s'agrupen juntes formant micel·les. L'aigua en superfícies hidrofòbiques mostren un alt angle de contacte. Exemples de molècules hidrofòbiques són, entre d'altres, els alcans, els olis i els greixos. Els materials hidròfobs es fan servir per treure oli i altres greixos, el control de vessaments de greixos i els processos de la separació química per treure compostos no polar de compostos polars.[2] Hidrofòbic s'usa alternativament a lipofílic (que li agrada el greix); tanmateix, els dos termes no són sinònims. Mentre que les substàncies hidrofòbiques són normalment lipofíliques, hi ha excepcions com les silicones i els fluorocarbonis.

El terme hidròfob prové del grec antic ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), "tenir por a l'aigua", construït (del grec ὕδωρ (húdōr); aigua i φόβος (phóbos)).[3]

Gotes d'aigua en superfície hidròfobes d'herbes

Punt de vista químic

[modifica]
Article principal: Efecte hidròfob

Segons la termodinàmica la matèria cerca estar en un estat baix d'energia i els enllaços redueixen l'energia química. L'aigua està polaritzada elèctricament i és capaç de fer enllaços d'hidrogen internament que li proporcionen moltes de les seves propietats úniques. Però, com que els hidròfobs no estan polaritzats elèctricament i a més són incapaços de formar enllaços d'hidrogen, l'aigua repel·leix els hidròfobs, en favor d'enllaçar-se amb ella mateixa. Aquest és l'efecte que causa la interacció hidròfoba.[4] Així les dues fases immiscibles (hidròfila contra hidròfoba) canviaran i la seva superfície interfacial serà la mínima. Aquest efecte es pot veure en el fenomen anomenat separació de fase.

Gotes d'aigua en una superfície hidrofòbica superficial (part esquerra)

En el cas de soluts petits, la interacció hidrofòbica és principalment un efecte entròpic originat per la interrupció dels enllaços d'hidrogen altament dinàmics entre les molècules d'aigua líquida pel solut no polar, fent que l'aigua formi una estructura semblant a un clatrat al voltant de les molècules no polars. Aquesta estructura formada està més altament ordenada que les molècules d'aigua lliures pel fet que les molècules d'aigua s'organitzen per a interactuar el més possible amb si mateixes (minimitzant així la ruptura d'enllaços hidrogen), i per tant dona lloc a una pèrdua d'entropia en la interfície. Això fa que les molècules no polars s'agrupin per a reduir la superfície exposada a l'aigua, incrementant així l'entropia del sistema.[5][6] De tal mode, les dues fases inmiscibles (hidrofílica enfront d'hidrofòbica) canviaran de manera que la seva corresponent àrea interfacial serà mínima. Aquest efecte pot visualitzar-se en el fenomen denominat separació fase.

Per part seva, per a soluts no polars de grandària més alta, que no poden ser adequadament “clatrats” per la xarxa d'enllaços d'hidrogen de l'aigua, la ruptura d'aquests enllaços es torna inevitable, implicant un alt cost entàlpic. En condicions ambientals, aquesta transició des d'un règim dominat per l'entropia a un altre regit per l'entalpia ocorre al voltant d'una grandària d'1 ~ nm, reflectint un canvi en el comportament de l'energia lliure d'hidratació, que passa d'escalar amb el volum del solut a dependre de l'àrea superficial exposada.[7][8]

En aquest context, s'ha proposat una definició molecular quantitativa de la hidrofobicitat, basada en el cost energètic que implica per a un sistema induir defectes d'enllaços d'hidrogen en la seva capa d'hidratació. Segons aquest enfocament, un sistema es considera hidrofòbic si no aconsegueix compensar els enllaços d'hidrogen absents amb una energia almenys tan favorable com el cost de generar aquest defecte en l'aigua pura, valor conegut com a Llindar d'Interacció de Defecte (DIT), estimat en aproximadament −6 kJ/mol (al voltant del 30% de l'energia típica d'un pont d'hidrogen). Aquest criteri coincideix amb el llindar clàssic de l'angle de contacte de 90°, la qual cosa suposa una justificació molecular de la transició al comportament hidrofòbic.[9][10]

Addicionalment, el DIT permet determinar els règims d'ompliment, ompliment parcial i buidatge en aigua confinada a nanoescala, segons quants dels llocs d'interacció de la molècula d'aigua (dels 4 llocs tetraèdrics disponibles) excedeixin aquest llindar. Aquesta anàlisi per a quantificar la hidrofobicitat o el mullat pot realitzar-se mitjançant un indicador estructural, l'índex V4S, que revela l'existència de dos estats d'interacció inherentment preferencials per a l'aigua.[11]

Superhidrofobicitat

[modifica]

Superfícies com les fulles de les plantes de lotus són molt difícils de mullar. L'angle de contacte de les gotes ultrapassa els 150° i l'angle de transbordament és menor de 10°.[12]

Investigació i desenvolupament

[modifica]
Gotes d'aigua roden per una superfície hidrofòbica inclinada
Gotes d'aigua sobre una superfície hidrofòbica artificial (esquerra)

Dettre i Johnson van descobrir en 1964 que el fenomen de l'efecte lotus superhidròfob estava relacionat amb les superfícies hidrofòbiques rugoses, i van desenvolupar un model teòric basat en experiments amb perles de vidre recobertes de parafina o telòmer TFE. La propietat d'autoneteja de les superfícies micro-nanoestructurats superhidròfobs es va comunicar en 1977.[13] Perfluoroalkyl, perfluoropolièter, i materials superhidròfobs formats per plasma de RF van ser desenvolupats, utilitzats per a electrowetting i comercialitzats per a aplicacions biomèdiques entre 1986 i 1995.[14][15][16][17] Altres tecnologies i aplicacions han sorgit des de mitjan anys 90.[18] En 2002 es va divulgar una composició jeràrquica superhidròfoba duradora, aplicada en un o dos passos, que comprenia partícules de grandària nanomètrica ≤ 100 nanòmetres que se superposaven a una superfície amb característiques o partícules de grandària micromètrica ≤ 100 micròmetres. Es va observar que les partícules més grans protegien les més petites de l'abrasió mecànica.[19]

En recerques recents, s'ha informat de la superhidrofobicitat en permetre que el alquilcetè dímer (AKD) se solidifiqui en una superfície fractal nanoestructurada.[20] Des de llavors, molts treballs han presentat mètodes de fabricació per produir superfícies superhidrofòbiques, incloent-hi la deposició de partícules,[21] tècniques de sol-gel,[22] tractaments amb plasma,[23] deposició de vapor,[21] i tècniques de fosa.[24] L'oportunitat actual d'impacte de la investigació rau principalment en la investigació fonamental i la fabricació pràctica.[25] Recentment, han sorgit debats sobre l'aplicabilitat dels models de Wenzel i Cassie-Baxter. En un experiment dissenyat per qüestionar la perspectiva de l'energia superficial del model de Wenzel i Cassie-Baxter i promoure la perspectiva de la línia de contacte, es van col·locar gotes d'aigua en un punt hidrofòbic llis en un camp hidrofòbic rugós, un punt hidrofòbic rugós en un camp hidrofòbic llis.[26] Els experiments van demostrar que la química i la geometria de la superfície en la línia de contacte afectaven l'angle de contacte i a l'histèresi de l'angle de contacte, però la superfície dins de la línia de contacte no tenia cap efecte. També s'ha proposat l'argument que l'augment de les irregularitats en la línia de contacte millora la mobilitat de les gotes.[27]

Molts materials hidrofòbics trobats en la naturalesa es basen en la llei de Cassie i són bifàsics en el nivell submicromètric amb un component aire. L'efecte lotus es basa en aquest principi. Seguint aquesta línia, s'han preparat moltes superfícies funcionals superhidròfobes.[28]

Un exemple de material superhidròfob biònic o biomimètic en nanotecnologia és la pel·lícula de nanopin.

Referències

[modifica]
  1. ↑ Aryeh Ben-Na'im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York ISBN 0-306-40222-X
  2. ↑ Akhavan B, Jarvis K, Majewski P «Hydrophobic Plasma Polymer Coated Silica Particles for Petroleum Hydrocarbon Removal». ACS Appl. Mater. Interfaces, 5, 11-2013, pàg. 8563-8571. DOI: 10.1021/am4020154. PMID: 23942510.
  3. ↑ Liddell, H.G. & Scott, R. (1940). A Greek-English Lexicon. revised and augmented throughout by Sir Henry Stuart Jones. with the assistance of. Roderick McKenzie. Oxford: Clarendon Press.
  4. ↑ Goss, K. U. and R. P. Schwarzenbach (2003): "Rules of Thumb for Assessing Equilibrium Partitioning of Organic Compounds: Successes and Pitfalls." JOURNAL OF CHEMICAL EDUCATION 80(4): 450–455. Enllaç al resum Arxivat 2008-09-05 a Wayback Machine.
  5. ↑ Garrett, Reginald; Grisham, Charles. Bioquímica. Cengage Learning, 5 de gener, 2012, p. 31-35. ISBN 978-1133106296. 
  6. ↑ Silverstein TP «The real reason why oil and water don't mix». Journal of Chemical Education, vol. 75, 1, 1998, pàg. 116-346. Bibcode: 1998JChEd..75..116S.
  7. ↑ Patel AJ et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108(43), 17678–17683 (2011), https://doi.org/10.1073/pnas.1110703108
  8. ↑ Rajamani S et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 9475–9480 (2005), https://doi.org/10.1073/pnas.0504089102
  9. ↑ Loubet NA, Verde AR & Appignanesi GA, J. Chem. Phys. 160, 064502 (2025), https://doi.org/10.1063/5.0276390
  10. ↑ Accordino SR, Menendez CA, Loubet NA, Alarcon LM & Appignanesi GA, J. Phys.: Condens. Matter 37, 305101 (2025), https://doi.org/10.1088/1361-648X/adebd4
  11. ↑ Loubet NA, Verde AR & Appignanesi GA, J. Chem. Phys. (2024), https://doi.org/10.1063/5.0203989
  12. ↑ Wang, Shutao «Definition of superhydrophobic states». Advanced Materials, 19, 2007, pàg. 3423–3424. DOI: 10.1002/adma.200700934.
  13. ↑ Barthlott, Wilhelm; Ehler, Nesta. Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten (en alemany), 1977, p. 110 (Tropische und subtropische Pflanzenwelt). ISBN 978-3-515-02620-8. 
  14. ↑ J. Brown. «US Patent 4,911,782».
  15. ↑ J. Brown. «US Patent 5,200,152».
  16. ↑ National Science Foundation. «Stopped-Flow Cytometer».
  17. ↑ J. Brown. «US Patent 5,853,894».
  18. ↑ Barthlott, Wilhelm; C. Neinhuis «La puresa del lotus sagrat o la fugida de la contaminació a les superfícies biològiques». Planta, 202, 1997, pàg. 1-8. DOI: 10.1007/s004250050096.
  19. ↑ J. Brown. «US Patent 6,767,587».
  20. ↑ Onda T, Shibuichi S, Satoh N, Tsujii K «Super-Water-Repellent Fractal Surfaces». Langmuir, 12, 1996, pàg. 2125-2127.
  21. ↑ 21,0 21,1 Miwa M, Nakajima A, Fujishima A, Hashimoto K, Watanabe T «Efectes de la rugositat de la superfície sobre els angles de lliscament de les gotes d'aigua en superfícies superhidrofòbiques». Langmuir, 16, 2000, pàg. 5754-60.
  22. ↑ Shirtcliffe NJ, McHale G, Newton MI, Perry CC «Escumes de sol-gel d'organosílica intrínsecament superhidrofòbiques». Langmuir, 19, 2003, pàg. 5626-5631.
  23. ↑ Teare, D. O. H.; Spanos, C. G.; Ridley, P.; Kinmond, E. J. «Dipòsit de plasma premut de nanoesferes superhidròfobes». Chemistry of Materials, 14, 2002, pàg. 4566-4571. ISSN: 0897-4756.
  24. ↑ Bico J, Marzolin C, Quéré D «Pearl drops». Europhysics Letters, 47, 1999, pàg. 743-744. Bibcode: 1999EL.....47..743B.
  25. ↑ Extrand C «Self-Cleaning Surfaces:An Industrial Perspective». MRS Bulletin, 2008, pàg. 733.
  26. ↑ Gao L, McCarthy TJ «How Wenzel and Cassie Were Wrong». Langmuir, 23, 2007, pàg. 3762-3765. DOI: 10.1021/la062634a. PMID: 17315893.
  27. ↑ «Superfícies ultrahidrofòbiques i ultralofòbiques: Alguns comentaris i exemples». Langmuir, 15, 1999, pàg. 3395-3399.
  28. ↑ Wang ST, Liu H, Jiang L «Procés recent sobre superfícies bioinspirades amb especial humectabilitat». Annual Review of Nano Research, 1, 2006, pàg. 573-628.

Enllaços externs

[modifica]
Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Hidrofòbia&oldid=36521607»