Wetenschappers hebben een oppervlaktemateriaal ontwikkeld dat waterdruppels bijna volledig afstoot. Ze veranderden metaal-organische raamwerken (MOF’s) – kunstmatig ontworpen materialen met nieuwe eigenschappen – door koolwaterstofketens te enten. De resulterende superhydrofobe (extreem waterafstotende) eigenschappen zijn interessant voor gebruik als zelfreinigende oppervlakken die bestand moeten zijn tegen omgevingsinvloeden, zoals op auto’s of in de architectuur.

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Materials Horizons.
MOF’s (metal-organic frameworks) bestaan uit metalen en organische linkers die een netwerk vormen met lege poriën die lijken op een spons. Hun volumetrische eigenschappen – het ontvouwen van twee gram van dit materiaal zou de oppervlakte van een voetbalveld opleveren – maken ze een interessant materiaal in toepassingen zoals gasopslag, koolstofdioxide-afscheiding of nieuwe medische technologieën.
Maar ook de buitenste oppervlakken die door deze kristallijne materialen worden blootgesteld, bieden unieke eigenschappen, waarvan het onderzoeksteam van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en het Indian Institute of Technology Guwahati (IITG) gebruikmaakte door koolwaterstofketens te enten op dunne MOF-films.
Het team observeerde een watercontacthoek van meer dan 160 graden – hoe groter de hoek die het oppervlak van een waterdruppel met het substraat vormt, hoe beter de hydrofobe eigenschappen van het materiaal. “Met onze methode zijn we in staat om superhydrofobe oppervlakken te bereiken met contacthoeken die aanzienlijk hoger zijn dan die van andere gladde oppervlakken en coatings,” aldus professor Christof Wöll van het Institute of Functional Interfaces van het KIT. “Hoewel de bevochtigende eigenschappen van MOF-poederdeeltjes al eerder zijn onderzocht, is het gebruik van monolithische MOF-dunne films voor dit doel een baanbrekend concept.”
‘Superhydrofobe’ materialen van de volgende generatie
Het team schrijft deze resultaten toe aan de borstelachtige opstelling (polymeerborstels) van de koolwaterstofketens op de MOF’s. Nadat ze op de MOF-materialen zijn geënt, hebben ze de neiging om ‘spoelen’ te vormen – hoge-entropietoestand – wat essentieel is voor hun hydrofobe eigenschappen. De wetenschappers beweerden dat deze staat van de geënte koolwaterstofketens niet op andere materialen kon worden waargenomen.
Het is opmerkelijk dat de watercontacthoek niet toenam, zelfs niet toen ze geperfluoreerde koolwaterstofketens gebruikten voor enting, d.w.z. waterstofatomen vervangen door fluor. In materialen zoals Teflon brengt perfluorering superhydrofobe eigenschappen teweeg. In het nieuw ontwikkelde materiaal verminderde het echter de watercontacthoek aanzienlijk, zoals het team ontdekte. Verdere analyses in computersimulaties bevestigden dat de geperfluoreerde moleculen – in tegenstelling tot koolwaterstofketens – niet de energetisch gunstige hoge-entropietoestand konden aannemen.
Bovendien varieerden de wetenschappers de oppervlakteruwheid van hun SAM@SURMOF-systemen (self assembled monolayers @ surface-anchored MOF) in het nanometerbereik, waardoor de waterhechtingssterkte verder werd verminderd. Zelfs bij extreem kleine hellingshoeken begonnen waterdruppels eraf te rollen en werden hun hydrofobe en zelfreinigende eigenschappen aanzienlijk verbeterd.
“Ons werk omvat ook een gedetailleerde theoretische analyse, die het onverwachte gedrag dat in experimenten wordt getoond, koppelt aan de hoge entropietoestand van de moleculen die op de MOF-films zijn geënt”, zegt professor Uttam Manna van de afdeling Chemie van IITG. “Deze studie zal het ontwerp en de productie van next-generation materialen met optimale hydrofobe eigenschappen veranderen.”
is het bekend wanneer dit op de markt wordt gebracht?