SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces) -tekniikka, joka perustuu huokoisen pinnan täyttämiseen matalan pinnan energian omaavalla nesteellä, on osoittautunut erittäin tehokkaaksi tekniikaksi veden, öljyn ja muiden nesteiden hylkäämisessä. Aizenbergin ryhmä Harvardin yliopistossa teki merkittävän löydön 2010-luvun alussa, kun he osoittivat, että tätä tekniikkaa voidaan käyttää erittäin tehokkaasti nesteiden estämiseen. Tällaiset pinnat, joissa on nestettä täytettyjä huokoisia rakenteita, kykenevät estämään nesteen tarttumisen ja liukumaan pois pinnalta lähes ilman kitkaa. SLIPS-teknologian alkuperäinen malli oli polyfluoroalkyyli-silaania käyttäen huokoisena rakenteena, joka täytettiin perfluorotriamylamiini-nesteellä. Tämä yhdistelmä osoitti erinomaista nesteen hylkivyyttä ja matalaa kontaktikulman hystereesiä, mikä tarkoittaa lähes täydellistä nesteen poistumista pinnalta.

Kuitenkin, vaikka SLIPS-teknologia herätti valtavaa akateemista ja teollista kiinnostusta, sen kaupallinen hyväksyntä on ollut haastavaa. Valmistusprosessit ovat monimutkaisia ja vaativat kehittyneitä tekniikoita, kuten huokoisten substraattien valmistamista, liuottimen impregnointia ja nesteen tasaisen jakautumisen varmistamista huokosessa. Nämä prosessit nostavat valmistuskustannuksia ja rajoittavat tuotannon skaalautuvuutta. Lisäksi SLIPS-pinnat, erityisesti ne, jotka altistuvat vaativille olosuhteille, voivat kokea nesteen vaiheen hajoamista, mikä heikentää liukumiskykyä ja lisää kulumista ajan myötä. Tämä rajoittaa niiden kestoa ja soveltuvuutta vaativissa käyttöolosuhteissa.

SLIPS-tekniikan kehitys ei kuitenkaan ole pysähtynyt. Monien akateemisten ryhmien työ on keskittynyt SLIPS-pintojen lujuuden ja keston parantamiseen. Kehitystyön tuloksena on syntynyt kestävämpiä järjestelmiä, jotka pystyvät säilyttämään nesteen hylkivyyden lähes vuoden ajan. Näiden parannettujen SLIPS-pintojen avulla on suoritettu erilaisia mekaanisia kulumiskokeita, kuten kosketus-, pyyhintä- ja teippauksen poisto-testejä. Verrattuna muihin nesteitä hylkiviin pintoihin SLIPS-teknologia näyttää lupaavalta, sillä se tarjoaa ylivoimaisen nesteen hylkivyyden, paremman paineenkeston ja sisäisen itsensä parantamisen kyvyn.

SLIPS-tekniikka on nyt kaupallisesti saatavilla monilla eri teollisuudenaloilla, kuten meriteollisuuden saastumisen estämisessä, pakkausmateriaalien valmistuksessa ja biomedikaalisten sovellusten kehittämisessä. SLIPS-pintoja käytetään myös jäätymisen estämiseen, ja tämä sovellus on esitelty tarkemmin kirjan seuraavissa osioissa.

SLIPS-tekniikan kehityksestä huolimatta on tärkeää ymmärtää, että tämä teknologia ei ole täydellinen ratkaisu kaikkien saastumistyppien, kuten kiinteiden hiukkasten, poistamiseen. Erityisesti kaupunkikeskusten saasteet, jotka sisältävät pölyä ja muita kiinteitä partikkeluita, eivät ole SLIPS-pintojen käsiteltävissä yhtä tehokkaasti kuin nesteet. Tämä rajoittaa SLIPS-pintojen käyttöä ympäristöissä, joissa saasteet eivät koostu pelkästään nesteistä.

On myös tärkeää huomata, että SLIPS-pintojen kehittäminen ja valmistaminen vaativat merkittäviä investointeja tutkimukseen ja tuotantoteknologioihin. Tämän teknologian täysimittainen kaupallistaminen on edelleen haasteellista, sillä se vaatii tarkkaa hallintaa niin raaka-aineiden kuin valmistusprosessienkin suhteen.

Endtext

Mikrokapselien avulla tapahtuva itsetoipuminen: Innovatiiviset pinnoitteet

Itsetoipuvat pinnoitteet ovat mullistaneet suojaavien pinnoitteiden kentän tarjoamalla mahdollisuuden vaurioiden korjaamiseen itsenäisesti. Yksi mielenkiintoinen lähestymistapa itsetoipumiskyvyn saavuttamiseksi on mikrokapselien liittäminen pinnoitematriisiin. Nämä mikrokapselit, jotka sisältävät parantavia aineita, rikkoutuvat vaurion seurauksena ja vapauttavat sisällönsä käynnistäen parantamisprosessin. Tässä käsitellään itsetoipuvia pinnoitteita mikrokapselien avulla, syvennytään suunnitteluperiaatteisiin, parantamisen mekanismeihin ja tämän innovatiivisen teknologian sovelluksiin.

Mikrokapselointiin on useita menetelmiä, jotka voidaan luokitella rajapintamenetelmiksi, in situ -menetelmiksi, koakervaatioiksi, sulatettaviksi dispersioiksi ja fysikaalisiksi tekniikoiksi, riippuen siitä, kuinka suojaava seinämä muodostetaan. Yksityiskohtainen selitys kustakin tekniikasta menee tämän kirjan rajoitusten ulkopuolelle, mutta teollisuus-, elintarvike- ja maatalousaloilla käytetyt kapselointimenetelmät voivat tarjota lisätietoja. Tällä hetkellä yksi yleisimmistä kapselointitekniikoista on emulsiopolymerointi, jossa käytetään yleisesti saatavilla olevia ureaformaldehydi- tai melamiiniformaldehydipolymeerejä. Mikrokapselien koko vaihtelee, mutta tavallisesti ne ovat muutamasta mikrometristä enintään sata mikrometriä halkaisijaltaan. Koko on itse asiassa rajoitettu pinnoitteen kuivan kerroksen paksuudella, joka on normaalisti 30–200 μm. Yksinkertaisesti sanottuna, jos mikrokapselit ovat suurempia kuin pinnoitteen kuivan kalvon paksuus, ne työntyvät ulos pinnoitteesta, mikä aiheuttaa erilaisia ongelmia.

Sol-geeli-teknologia edustaa toista merkittävää lähestymistapaa epäorgaanisten mikrokapselien ja nanokapselien valmistuksessa, joita voidaan tuottaa suhteellisen matalissa lämpötiloissa ja lempeissä olosuhteissa. Tämä menetelmä sisältää oksidiverkon luomisen polykondensaatiolla, jossa molekyyliprekursori liukenee nesteeseen. Sol-geeliprosessissa epäorgaanisen kuoren esiaste liuotetaan aluksi veteen matalan viskositeetin liuoksen muodostamiseksi, mikä varmistaa perusteellisen sekoittamisen molekyylitasolla ennen geelaantumista. Tämän seurauksena syntyy kuori, jota voidaan muokata lisäelementeillä tai funktionaalisilla ryhmillä. On tärkeää pitää mielessä, että sol-geeliprosessi voi olla aikaa vievä ja johtaa epätäydellisiin kapselien kuoriin, joissa voi olla mikroporeja ja mikrorappeumia, jos kovettumista ei valvota huolellisesti. Sol-geelitekniikkaa on pääasiassa hyödynnetty piidioksidikapselien valmistuksessa, joiden koko on jopa 30 nm. Piidioksidi on lupaava materiaali sen potentiaalin vuoksi diffuusiosuojana, joka auttaa ylläpitämään parantavan aineen kemiallista aktiivisuutta.

Itsetoipuvissa pinnoitteissa mikrokapselit sisältävät parantavaa materiaalia, joka on periaatteessa kemiallisesti reagoimatonta ydinaineistoa, joka pystyy virtaamaan vapaasti aina, kun kapseli rikkoutuu naarmuuntumisen tai materiaalin epäonnistumisen seurauksena. Kuten perinteiset pinnoitteet, jotka voivat olla yksikomponenttisia tai kaksikomponenttisia, myös itsetoipuvat pinnoitteet voivat perustua joko yhden tai kahden komponentin kapselijärjestelmiin. Yhden komponentin järjestelmässä kaikki parantavat elementit sisältyvät yhteen kapseliin. Kun kapseli rikkoutuu, se vapauttaa koko pinnoitteen nesteen muodossa. Tällöin pinnoite voidaan kovettaa ilman, kosteuden tai lämmön avulla. Yleisimmin käytettyjä ovat kuitenkin kaksikomponenttiset järjestelmät, joissa toinen kapseli on täytetty monomeerimateriaalilla ja toinen kovettajalla. Epoksit ja polyamidi-kovettajat soveltuvat erinomaisesti tällaisiin itsetoipuvaan polymeerijärjestelmiin. Nämä järjestelmät ovat suosittuja erityisesti syvemmillä pinnoitekerroksilla, sillä ne tarjoavat etuja matalassa viskositeetissa kapselin avaamisen yhteydessä, mutta kovettuvat nopeasti, kun molemmat komponentit ovat yhdistyneet; lisäksi ne eivät tarvitse ilmaa tai kosteutta kovettuakseen.

Mikrokapselointitekniikoiden lisäksi toinen merkittävä lähestymistapa on verisuonimaisiin järjestelmiin perustuvat itsetoipuvat rakenteet, jotka on inspiroitu ihmisen itsensä parantavasta prosessista. Kun verisuoni vaurioituu, keho pyrkii korjaamaan itseään siirtämällä fibriiniä, joka polymeroituu luoden kuitumaisen verkon, joka peittää vaurioituneen alueen ja auttaa paranemisprosessia. Tämä verisuonijärjestelmä on tärkeä osa luonnollista itsensä parantavaa järjestelmää, ja se on inspiroinut keinotekoisten järjestelmien kehittämistä. Ensimmäinen verisuonimaisen itsetoipuvan järjestelmän tutkimus tehtiin jo vuonna 1994, jolloin propyleeni- ja lasikuituputkia käytettiin jakamaan värjättyä metyylimetakrylaattipohjaista parantavaa ainetta betonilevyn läpi. Värjätty parantava aine leviää ja kovettuu vaurioituneessa kohdassa kuumennettaessa.

Verisuonimaiset järjestelmät toimivat samalla periaatteella kuin mikrokapselit, mutta niiden rakenne perustuu putkistoon, jonka sisällä virtaa nestemäinen pinnoitehartsia. Toisin kuin mikrokapselien parantavat aineet, nesteen viskositeetti on matalampi, mikä helpottaa nopeaa ja esteetöntä virtausta ja estää parantamisprosessin hidastumisen. Kun hartsi poistuu putkesta, kovettumisprosessi käynnistyy ja estää putken päässä parantavan aineen leviämistä. Verisuonijärjestelmissä voidaan käyttää sekä yksinkertaisia yksikanavaisia putkistoja että monimutkaisempia 2D- ja 3D-yhteenkytkettyjä putkistoja, joilla on useita risteyksiä. Verisuonijärjestelmät voivat olla yksikomponenttisia tai kaksikomponenttisia, ja niiden etu on, että vaurioituneelle alueelle voidaan toimittaa parantavaa ainetta useilta eri reiteiltä, jos yksi reitti tukkeutuu.

Kokeet ovat osoittaneet, että yhteenkytketyt kaksiverkkoiset järjestelmät epoksipinnoitteessa tarjoavat paremman parantamisefektiivisyyden ja ne pystyvät useisiin korjausjaksoihin verrattuna yksinkertaisiin putkistojärjestelmiin ja mikrokapselijärjestelmiin. Tärkeintä on, että yhteyksien tarjoamat useat kulkureitit varmistavat sen, että parantava aine pääsee vaurioituneeseen kohtaan, vaikka osa putkista tukkeutuisi.

Nanopartikkelien rooli älykkäissä pinnoitteissa: Mekaaniset, sähköiset ja optiset ominaisuudet

Nanopartikkelit ovat mullistaneet älykkäiden ja toiminnallisten pinnoitteiden kehityksen, sillä ne mahdollistavat uskomattomien ominaisuuksien kehittämisen, kuten erinomaisen naarmuuntumiskestävyys, sähköinen johtokyky sekä optiset vaikutukset. Nanopartikkelien käyttö pinnoitteissa ei ainoastaan paranna materiaalien kestävyysominaisuuksia, vaan voi myös avata uusia mahdollisuuksia elektronisten ja optisten sovellusten kehityksessä. Tässä luvussa tarkastelemme nanoteknologian hyödyntämistä pinnoitteiden valmistuksessa erityisesti mekaanisten, sähköisten ja optisten ominaisuuksien parantamiseksi.

Nanopartikkelien käyttö pinnoitteiden kovettamisessa ja sitkeyden lisäämisessä perustuu siihen, että ne voidaan linkittää toisiinsa ja upottaa epoksiverkkoon, jolloin saadaan aikaan pinnoitteita, joilla on erinomaiset läpinäkyvyys- ja naarmuuntumiskestävyysominaisuudet. Tällaisia nanopartikkelikäsittelyjä voidaan myös tuottaa "in situ" valmistusprosessin aikana, jolloin esihydrolysoidut esiasteet upotetaan koostumukseen ja muodostavat metallihappokide nanohiukkasia kondensaatioprosessissa, joka tunnetaan sol-geeli-synteesinä. Tällainen synteesi mahdollistaa materiaalin mekaanisten ominaisuuksien parantamisen, kuten kynän kovuuden kasvattamisen 5H:sta 8H:iin sekä lämpötilan sietokyvyn parantamisen, mikä on erityisen tärkeää kovia ja kestäviä pinnoitteita valmistettaessa.

Sähköisesti johtavat pinnoitteet voivat tehokkaasti estää staattisen sähkön kertymistä ja hajottaa kertynyttä sähkövarausta nopeasti. Näitä pinnoitteita valmistetaan muun muassa hopea-, kulta- ja kuparinanopartikkelien avulla, jotka sekoitetaan pinnoitteisiin ja musteisiin erilaisiin sovelluksiin. Hopeananopartikkelit ovat erityisen kiinnostavia niiden erinomaisen sähkönjohtavuuden ja matalan hapettumisnopeuden vuoksi. Hopea on tunnettu korkeasta sähkönjohtavuudestaan (noin 6,3 × 10⁷ S/m), ja hopeananopartikkelien ja -nanolankojen käyttö mahdollistaa erittäin johtavien, läpinäkyvien ja joustavien elektronisten komponenttien kehittämisen, kuten antureita ja biosensoreita. Hopea voi jopa korvata kalliimman indiumtinaoksidin (ITO) käytön, joka on ollut suosittu materiaali monissa optisesti läpinäkyvissä mutta sähköisesti johtavissa pinnoitteissa. Hopeananopartikkelien ja -nanolankojen edut ilmenevät paitsi kustannustehokkuudessa myös helppoudessa, jolla niitä voidaan levittää nestemäisessä muodossa.

Muita tärkeitä materiaaleja ovat hiiliperäiset johtavat materiaalit, kuten grafeeni ja hiilinanoputket (CNT). Grafeenilla on erinomaiset sähköiset ominaisuudet ja se on tunnettu myös esteettisistä ja korroosiosuojauksellisista vaikutuksistaan. Grafeeni voi toimia korroosionestoaineena pinnoitteissa ja sen yhdistelmä korkeaa johtavuutta ja hyvää esteettisyyttä tekee siitä erityisen mielenkiintoisen lisäaineen korroosionestomaaleissa. Lisäksi CNT:llä on samankaltaiset sähköiset ominaisuudet, mutta niiden käyttö ei rajoitu vain korroosion estoon; ne ovat myös hyviä jäätymisen estämisessä, sillä CNT-matriisi voi toimia lämmitysmattomaisena, kun siihen syötetään sähköä. Tällaiset innovaatiot avaavat uusia mahdollisuuksia älykkäiden pinnoitteiden sovelluksille eri teollisuudenaloilla.

Magnetismilla on myös merkittävä rooli nanoteknologiassa. Nanomagneetteilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia verrattuna perinteisiin suurikokoisiin magneetteihin. Nanomagneettien tärkeimmät ominaisuudet määräytyvät niiden koon ja pinnan toiminnallisuuden mukaan. Yksi tunnetuimmista ilmiöistä on superparamagnetismi, jota havaitaan erityisesti pienillä nanopartikkelikoilla, kuten rautaoksidi (Fe₂O₃) tai magnetiitti (Fe₃O₄) nanopartikkelien tapauksessa. Superparamagnetismin ansiosta näitä nanopartikkeleita voidaan käyttää muun muassa lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten lääkkeiden kontrolloidussa toimituksessa. Nämä nanopartikkelit eivät agglomeroidu, vaan ne voivat liikkua vapaasti verisuonistossa ja vapautua tietyssä kohdassa ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta. Tämä tekee niistä erinomaisia materiaaleja tarkasti säädettävissä lääkehoidoissa.

Nanopartikkelit eivät ainoastaan vaikuta sähköisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin, vaan niillä on myös merkittävä rooli optisissa ilmiöissä. Kulta- ja hopeananopartikkelit voivat ilmentää pintplasmonresonanssia (SPR), joka on ilmiö, jossa elektronit metallin pinnalla virittyvät tietyllä kulmalla valon vaikutuksesta, jolloin ne alkavat liikkua pinnalla. Tämä ilmiö johtaa erityisiin valon hajautus- ja absorptiokäyttäytymisiin, jotka voivat tuottaa värikkäitä ja näyttäviä efektejä. SPR-ilmiö on erityisesti havaittavissa silloin, kun nanopartikkelien koko on pienempi tai yhtä suuri kuin elektronien vapaapituus, joka on muutamia nanometrejä. Tällaisten nanopartikkelien optiset ominaisuudet voivat olla hyödyllisiä esimerkiksi optisessa sensori- ja näyttöteknologiassa, jolloin voidaan saavuttaa ainutlaatuisia valon hallintatekniikoita.

Nanoteknologian rooli älykkäiden ja toiminnallisten pinnoitteiden kehittämisessä on siis monivivahteinen ja mahdollistaa erittäin erikoistuneiden materiaalien luomisen, jotka täyttävät nykyajan teollisuuden ja teknologian vaatimukset. Nanopartikkelien avulla voidaan luoda kestävämpiä, monitoimivampia ja kustannustehokkaampia pinnoitteita, jotka parantavat muun muassa sähköisiä, mekaanisia ja optisia ominaisuuksia.

Jakým způsobem proměnit dřevo na umělecký tvar pomocí soustružení?
Jaký význam má estetika postdigitálních generativních obrazů?
Jak správně kombinovat výdržové a silové cvičení pro optimální zdraví?