Teksti Kemia-lehti, kuva Ekaterina Osmekhina, Aalto-yliopisto
Tutkijat onnistuivat luomaan pinnoitteen, joka on vedelle kaikkein liukkain. Löydöstä on hyötyä kaikissa paikoissa, joissa tarvitaan nestettä hylkiviä pintoja.
Aalto-yliopiston ja Jyväskylän yliopiston tutkijat ovat luoneet pinnan, joka on vedelle kaikkein liukkain. Kiinteiden pintojen ja nesteen rajapinta on avainasemassa arkipäivän askareissa ja teknologioissa aina ruuanlaitosta optiikkaan.
Tutkijat kasvattivat tiiviin molekyylikerroksen esimerkiksi fakiirin naulapetiä muistuttavalle erikoisrakenteiselle pinnalle, jollaisen on jo aiemmin tiedetty mahdollistavan poikkeuksellisen liukkauden. Näin tutkijat onnistuivat luomaan pinnoitteen, joka on vedelle kaikkein liukkain. Löydöstä voi olla iloa kaikkialla, missä pisaroita hylkiviä pintoja tarvitaan.
“Mahdollisia sovelluskohteita voi löytyä esimerkiksi jäätymisen estosta, putkistojen lämmönsiirrosta tai itsepuhdistuvista pinnoista”, väitöstutkija Sakari Lepikko kuvaa.
Keksintö tarjoaa täysin uusia tapoja tutkia pisaroiden liukkautta molekyylien tasolla. Se myös haastaa aiempia käsityksiä kiinteiden pintojen ja veden välisestä kitkasta. Seuraavana haasteena tutkijoilla on luoda materiaalista nykyistä kestävämpi, koska tällaisenaan molekyylikerrostuma on hyvin ohut ja helposti hajoava.
Tutkimus julkaistiin Nature Chemistry -lehdessä 23. lokakuuta 2023.
”Oli odotusten vastaista, että myös harva peite tuottaa poikkeuksellisen liukkauden”
Nesteen kaltaiset pinnat kehityksen kärjessä
Pisaroita hylkivien materiaalien tutkimuksessa ovat kehityksen kärjessä niin kutsutut nesteen kaltaiset pinnat (Liquid-like Surfaces, LLS). Näissä materiaalin pintaa peittää siihen tarttunut ja nesteen tavoin käyttäytyvä molekyylikerros. Arkielämän sovellukset tällaisille materiaaleille ovat vielä alkutekijöissään, mutta jo nyt teknologialla katsotaan olevan monenlaisia teknisiä etuja verrattuna perinteisiin vesitiiviisiin materiaaleihin.
Aalto-yliopiston tutkijat loivat professori Robin Rasin johdolla piipinnalle nesteen kaltaisen, vain yhden molekyylin paksuisen kerrostuman ja onnistuneet säätelemään sitä, kuinka tiiviisti tai harvakseltaan kerroksen molekyylit piipintaa peittävät. Pinnan tiheyden säätäminen toi esille yllättävän mekanismin.
”Tulokset osoittivat, että pinnan liukkaus lisääntyi kerroksen ollessa sekä erityisen harva että erityisen tiivis. Oli odotusten vastaista, että myös harva peite tuottaa poikkeuksellisen liukkauden”, kertoo väitöstutkija Sakari Lepikko.
Vesi tarraa kiinni ääripäiden välissä
Piipinta vetää vettä puoleensa voimakkaasti. Kun pinnoite sen päällä on harva, päälle tiputettu vesi leviää ohueksi kalvoksi. Tämän on aiemmin ajateltu lisäävän kitkaa eli vähentävän materiaalin liukkautta.
”Nyt kuitenkin totesimme, että harvan molekyylikerrostuman päälle tiputettu vesi pääsee kulkemaan vapaasti molekyylien välissä ja yllättäen luistaakin helposti pois pinnalta”, Ras toteaa.
Tutkimuksessa huomattiin toisaalta myös, että kun molekyylejä on paljon eli kerros on tiivis, vesi ei pääse ankkuroitumaan molekyylien ja piin väleihin ja luistaa yhtä lailla helposti pois. Näiden kahden – harvan ja tiiviin – ääripään välissä vesi sen sijaan tarraa kiinni materiaaliin.
Pioneerityötä
- Robin Rasin Soft Matter and Wetting group -fyysikkotiimi tekee pioneerityötä veden ja pintojen kohtauspisteessä.
- Tutkimuksessa on käytetty kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria.
- Ras on myös julkaissut Nature Reviews Chemistry -lehdessä viime vuonna artikkelin omnifobisista, nesteen kaltaisista pinnoista ja niiden lupaavista ominaisuuksista.
