Hidrófobo

En química, la hidrofobicidad es la propiedad física de una molécula que aparentemente es repelida por una masa de agua (conocida como hidrófoba o hidrofóbica). Por el contrario, los hidrófilos se sienten atraídos por el agua.

Las moléculas hidrófobas tienden a ser no polares y, por tanto, prefieren otras moléculas neutras y disolventes no polares. Debido a que las moléculas de agua son polares, los hidrófobos no se disuelven bien entre ellas. Las moléculas hidrofóbicas en el agua a menudo se agrupan, formando micelas. El agua sobre superficies hidrofóbicas exhibirá un alto ángulo de contacto.

Los ejemplos de moléculas hidrofóbicas incluyen los alcanos, aceites, grasas y sustancias grasosas en general. Los materiales hidrófobos se utilizan para la eliminación de petróleo del agua, la gestión de derrames de petróleo y procesos de separación química para eliminar sustancias no polares de compuestos polares.

Hidrofóbico a menudo se usa indistintamente con lipofílico, "amante de la grasa". Sin embargo, los dos términos no son sinónimos. Si bien las sustancias hidrofóbicas suelen ser lipofílicas, existen excepciones, como las siliconas y los fluorocarbonos.

El término hidrófobo proviene del griego antiguo ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), "tener miedo al agua", construido a partir del griego antiguo ὕδωρ (húdōr) 'agua', y el griego antiguo φόβος (phóbos) 'miedo'.

Fondo químico

La interacción hidrofóbica es principalmente un efecto entrópico que se origina en la ruptura de los enlaces de hidrógeno altamente dinámicos entre las moléculas de agua líquida por el soluto no polar que forma una estructura similar a un clatrato alrededor de las moléculas no polares. Esta estructura formada está más ordenada que las moléculas de agua libre debido a que las moléculas de agua se organizan para interactuar tanto como sea posible entre sí y, por lo tanto, da como resultado un estado entrópico más alto que hace que las moléculas no polares se agrupen para reducir el área de superficie expuesta. al agua y disminuir la entropía del sistema. Por lo tanto, las dos fases inmiscibles (hidrofílica frente a hidrofóbica) cambiarán de modo que su área interfacial correspondiente será mínima. Este efecto se puede visualizar en el fenómeno llamado separación de fases.

Superhidrofobicidad

Las superficies superhidrofóbicas, como las hojas de la planta de loto, son aquellas que son extremadamente difíciles de humedecer. Los ángulos de contacto de una gota de agua exceden los 150°. Esto se conoce como el efecto de loto y es principalmente una propiedad física relacionada con la tensión interfacial, en lugar de una propiedad química.

Teoría

En 1805, Thomas Young definió el ángulo de contacto θ analizando las fuerzas que actúan sobre una gota de fluido que descansa sobre una superficie sólida rodeada por un gas.

donde= Tensión interfacial entre el sólido y el gas= Tensión interfacial entre el sólido y el líquido= Tensión interfacial entre el líquido y el gas

θ se puede medir utilizando un goniómetro de ángulo de contacto.

Wenzel determinó que cuando el líquido está en contacto íntimo con una superficie microestructurada, θ cambiará a θ _W*

donde r es la relación entre el área real y el área proyectada. La ecuación de Wenzel muestra que la microestructuración de una superficie amplifica la tendencia natural de la superficie. Una superficie hidrófoba (una que tiene un ángulo de contacto original superior a 90°) se vuelve más hidrófoba cuando se microestructura: su nuevo ángulo de contacto se vuelve mayor que el original. Sin embargo, una superficie hidrófila (una que tiene un ángulo de contacto original inferior a 90°) se vuelve más hidrófila cuando se microestructura: su nuevo ángulo de contacto se vuelve menor que el original. Cassie y Baxter encontraron que si el líquido se suspende en la parte superior de las microestructuras, θ cambiará a θ _CB*:

donde φ es la fracción de área del sólido que toca el líquido. El líquido en el estado de Cassie-Baxter es más móvil que en el estado de Wenzel.

Podemos predecir si debería existir el estado de Wenzel o el de Cassie-Baxter calculando el nuevo ángulo de contacto con ambas ecuaciones. Mediante un argumento de minimización de la energía libre, la relación que predijo el nuevo ángulo de contacto más pequeño es el estado con mayor probabilidad de existir. Expresado en términos matemáticos, para que exista el estado de Cassie-Baxter, la siguiente desigualdad debe ser verdadera.<img src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/04afd17cee9411419fba97754d142e8e3be13873" alt="{displaystyle cos theta

Un criterio alternativo reciente para el estado de Cassie-Baxter afirma que el estado de Cassie-Baxter existe cuando se cumplen los 2 criterios siguientes: 1) Las fuerzas de la línea de contacto superan las fuerzas del cuerpo del peso de la gota sin soporte y 2) Las microestructuras son lo suficientemente altas para evitar que el líquido que une las microestructuras para que no toquen la base de las microestructuras.

Recientemente se ha desarrollado un nuevo criterio para el cambio entre los estados de Wenzel y Cassie-Baxter basado en la rugosidad superficial y la energía superficial. El criterio se centra en la capacidad de atrapar aire bajo gotas de líquido en superficies rugosas, lo que podría indicar si se debe usar el modelo de Wenzel o el modelo de Cassie-Baxter para cierta combinación de rugosidad y energía de la superficie.

El ángulo de contacto es una medida de la hidrofobicidad estática, y la histéresis del ángulo de contacto y el ángulo de deslizamiento son medidas dinámicas. La histéresis del ángulo de contacto es un fenómeno que caracteriza la heterogeneidad de la superficie.Cuando una pipeta inyecta un líquido sobre un sólido, el líquido formará un ángulo de contacto. A medida que la pipeta inyecta más líquido, la gota aumentará de volumen, el ángulo de contacto aumentará, pero su límite trifásico permanecerá estacionario hasta que avance repentinamente hacia afuera. El ángulo de contacto que tenía la gota inmediatamente antes de avanzar hacia afuera se denomina ángulo de contacto de avance. El ángulo de contacto de retroceso ahora se mide bombeando el líquido hacia afuera de la gota. La gota disminuirá en volumen, el ángulo de contacto disminuirá, pero su límite trifásico permanecerá estacionario hasta que retroceda repentinamente hacia adentro. El ángulo de contacto que tenía la gota inmediatamente antes de retroceder hacia adentro se denomina ángulo de contacto de retroceso.Las superficies que no son homogéneas tendrán dominios que impiden el movimiento de la línea de contacto. El ángulo de deslizamiento es otra medida dinámica de la hidrofobicidad y se mide depositando una gota sobre una superficie e inclinando la superficie hasta que la gota comienza a deslizarse. En general, los líquidos en el estado de Cassie-Baxter exhiben ángulos de deslizamiento e histéresis de ángulo de contacto más bajos que los del estado de Wenzel.

Investigación y desarrollo

Dettre y Johnson descubrieron en 1964 que el fenómeno del efecto de loto superhidrofóbico estaba relacionado con superficies hidrofóbicas rugosas y desarrollaron un modelo teórico basado en experimentos con perlas de vidrio recubiertas con parafina o telómero TFE. La propiedad de autolimpieza de las superficies micronanoestructuradas superhidrofóbicas se informó en 1977. Se desarrollaron materiales superhidrofóbicos formados por plasma de perfluoroalquilo, perfluoropoliéter y RF, se usaron para electrohumectación y se comercializaron para aplicaciones biomédicas entre 1986 y 1995. Se han desarrollado otras tecnologías y aplicaciones. surgió a partir de mediados de la década de 1990.En 2002 se describió una composición jerárquica superhidrofóbica duradera, aplicada en uno o dos pasos, que comprende partículas de tamaño nanométrico ≤ 100 nanómetros que se superponen a una superficie que tiene características del tamaño de un micrómetro o partículas ≤ 100 micrómetros. Se observó que las partículas más grandes protegían a las partículas más pequeñas de la abrasión mecánica.

En investigaciones recientes, se ha informado sobre la superhidrofobicidad al permitir que el dímero de alquilceteno (AKD) se solidifique en una superficie fractal nanoestructurada. Desde entonces, muchos artículos han presentado métodos de fabricación para producir superficies superhidrofóbicas, incluida la deposición de partículas, técnicas de sol-gel, tratamientos con plasma, deposición de vapor y técnicas de fundición. La oportunidad actual para el impacto de la investigación radica principalmente en la investigación fundamental y la fabricación práctica.Recientemente han surgido debates sobre la aplicabilidad de los modelos de Wenzel y Cassie-Baxter. En un experimento diseñado para desafiar la perspectiva de la energía superficial del modelo de Wenzel y Cassie-Baxter y promover una perspectiva de línea de contacto, se colocaron gotas de agua en un punto hidrofóbico suave en un campo hidrofóbico rugoso, un punto hidrofóbico rugoso en un campo hidrofóbico suave, y una mancha hidrofílica en un campo hidrofóbico. Los experimentos mostraron que la química y la geometría de la superficie en la línea de contacto afectaban el ángulo de contacto y la histéresis del ángulo de contacto, pero el área de la superficie dentro de la línea de contacto no tenía ningún efecto. También se ha propuesto un argumento de que el aumento de la irregularidad en la línea de contacto mejora la movilidad de las gotas.

Muchos materiales hidrófobos que se encuentran en la naturaleza se basan en la ley de Cassie y son bifásicos en el nivel submicrométrico con un componente de aire. El efecto de loto se basa en este principio. Inspirándose en él, se han preparado muchas superficies superhidrofóbicas funcionales.

Un ejemplo de material superhidrofóbico biónico o biomimético en nanotecnología es la película de nanopin.

Un estudio presenta una superficie de pentóxido de vanadio que cambia reversiblemente entre superhidrofobicidad y superhidrofilia bajo la influencia de la radiación UV. Según el estudio, cualquier superficie puede modificarse con este efecto mediante la aplicación de una suspensión de partículas de V ₂ O ₅ similares a rosas, por ejemplo con una impresora de inyección de tinta. Una vez más, la hidrofobicidad es inducida por bolsas de aire interlaminares (separadas por distancias de 2,1 nm). También se explica el efecto UV. La luz ultravioleta crea pares de agujeros de electrones, con los agujeros reaccionando con el oxígeno de la red, creando vacantes de oxígeno en la superficie, mientras que los electrones reducen V a V. Las vacantes de oxígeno son cubiertas por agua, y es esta absorción de agua por la superficie de vanadio lo que la hace hidrofílica. Mediante un almacenamiento prolongado en la oscuridad, el agua se reemplaza por oxígeno y la hidrofilia se pierde una vez más.

Una gran mayoría de las superficies hidrofóbicas tienen sus propiedades hidrofóbicas impartidas por la modificación química o estructural de una superficie de un material a granel, a través de recubrimientos o tratamientos superficiales. Es decir, la presencia de especies moleculares (generalmente orgánicas) o características estructurales da como resultado ángulos de contacto elevados del agua. En los últimos años, se ha demostrado que los óxidos de tierras raras poseen hidrofobicidad intrínseca. La hidrofobicidad intrínseca de los óxidos de tierras raras depende de la orientación de la superficie y los niveles de vacancia de oxígeno, y es naturalmente más resistente que los recubrimientos o tratamientos de superficie, y tiene aplicaciones potenciales en condensadores y catalizadores que pueden operar a altas temperaturas o ambientes corrosivos.

Aplicaciones y aplicaciones potenciales

El hormigón hidrófobo se produce desde mediados del siglo XX.

La investigación activa reciente sobre materiales superhidrofóbicos podría eventualmente conducir a más aplicaciones industriales.

Se ha informado de una rutina simple de recubrimiento de tela de algodón con partículas de sílice o titania mediante la técnica sol-gel, que protege la tela de la luz ultravioleta y la vuelve superhidrofóbica.

Se ha informado de una rutina eficaz para fabricar polietileno superhidrofóbico y, por tanto, autolimpiante. El 99% de la suciedad en dicha superficie se elimina fácilmente.

Las superficies superhidrofóbicas estampadas también son prometedoras para los dispositivos microfluídicos de laboratorio en un chip y pueden mejorar drásticamente el bioanálisis basado en superficies.

En productos farmacéuticos, la hidrofobicidad de las mezclas farmacéuticas afecta importantes atributos de calidad de los productos finales, como la disolución del fármaco y la dureza. Se han desarrollado métodos para medir la hidrofobicidad de los materiales farmacéuticos.