Hur fungerar bioniska superhydrofoba och omnifoba ytor?

Alla ytor har en specifik ytenergi, en fysisk egenskap som beskriver den energi som krävs för att öka ytan på ett material. Denna energi, vanligtvis mätt i joule per kvadratmeter eller dyn/cm, påverkar hur vätskor beter sig mot fasta ytor. Material med hög ytenergi, som mineraler eller glas, attraherar vätskor och blir lätt blöta, medan material med låg ytenergi stöter bort vätskor, vilket resulterar i hydrofoba (vattenavvisande) egenskaper.

Dock är hydrofobicitet ensam inte tillräckligt för att hålla ytor rena eftersom smuts består av både vattenlösliga och oljebaserade ämnen. För att uppnå en heltäckande ren yta krävs därför omnifoba, det vill säga all-avvisande, egenskaper som stöter bort både vatten och olja. Detta kan uppnås med fluorbaserad kemi, där polytetrafluoretylen (PTFE) är ett välkänt exempel. PTFE används som non-stick beläggning, exempelvis i stekpannor, men är kostsamt att applicera på stora ytor. Alternativt kan perfluorinerade föreningar användas som tillsatser för att minska kostnaden och behålla liknande egenskaper. Dessa ämnen har dock nyligen fått kritik och restriktioner på grund av deras persistens i miljön och potentiella hälsofaror, inklusive carcinogenitet.

Sökandet efter mer hållbara lösningar har lett till utvecklingen av superhydrofoba ytor baserade på nanomorfologi, inspirerade av naturens egna system. Naturen erbjuder flera exempel, där lotusbladet (Nelumbo nucifera) är en klassiker. Dess yta har extremt låg ytenergi, under 20 dyn/cm, och en vattenkontaktvinkel (WCA) över 140°, vilket definieras som superhydrofobt. Lotusbladets förmåga att självrengöra genom att vatten droppar rullar av och tar med sig smuts har studerats intensivt.

Denna superhydrofobicitet beror på en hierarkisk nanostruktur av vaxkristaller på bladets yta, som skapar luftfickor och minskar kontaktytan mellan vatten och bladet. Cassie-Baxters teori från 1944 förklarar att ökad ytråhet förstärker hydrofobiciteten enligt formeln cos θ(rough) = r cos θ(flat), där r är ytråheten och θ kontaktvinkeln. En högre r betyder att mer av ytan inte är i direkt kontakt med vätskan, vilket fångar luft och minimerar vätskans kontakt.

Superhydrofoba ytor är alltså uppbyggda av mikroskopiska och nanoskala strukturer som tillsammans bildar en komplex topografi med toppar och dalar fyllda med luft. Denna kombination av låg ytenergi och grov yta skapar en vattenavvisande effekt där dropparna lätt rullar bort. Nyare forskning visar att typen av nanostruktur är avgörande för att maximera kontaktvinkeln och minimera kontaktvinkelhysteres, vilket innebär att dropparna inte fastnar utan rullar fritt, en viktig egenskap för effektiv självrengöring.

Utöver de kemiska och strukturella egenskaperna är ytan dynamisk i sin interaktion med olika typer av föroreningar. Effektiva självrengörande system måste därmed ta hänsyn till vätskors och partikels olika natur – hydrofoba, hydrofila och oleofoba – och anpassa ytkemiska och morfologiska egenskaper därefter för att uppnå universell smutsavvisning. Vidare är hållbarheten och miljöpåverkan av sådana material av stor vikt, särskilt med tanke på de regleringar som numera införs mot fluorbaserade ämnen.

Hur fungerar och utvecklas anti-fingeravtrycksbeläggningar?

Fingeravtryck består huvudsakligen av en komplex blandning av kemikalier, där lipider och fetter utgör en liten men betydelsefull del. Den unika sammansättningen av dessa ämnen ger varje individs fingeravtryck dess karaktäristiska mönster. Förutom dessa organiska komponenter innehåller fingeravtryck också spår av andra substanser såsom smuts, damm, bakterier och olika hudvårdsprodukter som oljor, silikoner och fuktighetskrämer. Detta sammantaget gör fingeravtryck både unika och svåra att helt eliminera från olika ytor. Utmaningen att skapa ytor som effektivt kan motstå eller osynliggöra fingeravtryck har lett till utvecklingen av olika typer av anti-fingeravtrycksbeläggningar, som kan delas in i tre huvudsakliga strategier: allomfattande repellenta (omnifobiska) ytor, fotoniska beläggningar och fotoaktiva ytor.

Fotoniska anti-fingeravtrycksbeläggningar manipulerar ljusets interaktion med ytan för att minska synligheten av fingeravtryck. Genom att använda tunna filmer av metaller, dielektrika eller halvledare kan man kontrollera ljusets reflektion, absorption och spridning. En vanlig metod är att sprida ljuset så att fingeravtryck blir svårare att urskilja, vilket är särskilt användbart på pekskärmar. Andra fotoniska metoder absorberar ljus för att göra fingeravtryck mindre synliga eller ändrar ljusets polarisation för att påverka hur fingeravtrycken uppfattas. Ett innovativt exempel är användningen av beläggningar inspirerade av malens ögon, vilka genom sin mikromorfologi minskar reflexion och därmed synligheten av smuts och fingeravtryck. Dessa beläggningar har börjat implementeras i produkter som smartphones och datorer.

Självrengörande anti-fingeravtrycksbeläggningar utnyttjar fotoaktiva material, ofta titandioxid nanopartiklar, som vid exponering för ljus, särskilt UV-ljus, bryter ner de organiska komponenterna i fingeravtryck. Denna process innebär att fingeravtrycket efter en tid av ljusexponering gradvis försvinner från ytan. En sådan beläggning är hydrofila och oleofila, vilket först sprider ut oljorna över ytan för att sedan katalytiskt nedbryta dem. Även om denna metod är effektiv, kräver den längre tid (flera timmar) och ljusexponering, vilket begränsar dess omedelbara användbarhet men öppnar möjligheter för nattlig eller icke-aktiv rengöring.

Det är viktigt att förstå att varje strategi för anti-fingeravtrycksbeläggningar har sina begränsningar och användningsområden. Ytor som är helt omnifobiska kan erbjuda omedelbart skydd men kan vara svåra att kombinera med andra krav som transparens eller slitstyrka. Fotoniska beläggningar kan förbättra estetik och synbarhet men påverkar ofta ytkänslan och kan vara känsliga för mekanisk påverkan. Självrengörande ytor kräver i sin tur aktiv ljusexponering och tid för att verka fullt ut, vilket kan påverka användarupplevelsen.

Utöver ytkemi och fysik spelar även användarens beteende och miljöfaktorer stor roll för hur väl anti-fingeravtrycksbeläggningar fungerar i praktiken. Förståelsen av fingeravtryckens kemiska sammansättning, och den roll olika substanser spelar i dess synlighet och persistens, är grundläggande för att utveckla nästa generations ytor som kan kombinera funktionalitet, hållbarhet och estetik. Att framtidens anti-fingeravtrycksbeläggningar kommer att behöva integrera flera av dessa teknologier och anpassas efter specifika applikationer är en viktig insikt för både forskare och tillverkare.

Hur fungerar smarta fönster och beläggningar som anpassar sig efter miljön?

SPD-teknologin har flera fördelar jämfört med andra typer av elektroaktiva fönster, särskilt sådana som baseras på oorganiska eller organiska elektrokomratiska material. SPD-fönster är i regel mer hållbara, billigare att tillverka och enklare att implementera i större skala. Ett exempel från Sydkorea visade att användningen av SPD-beläggning i byggnadsfasader minskade behovet av kylning med nästan 30 %, vilket motsvarade en årlig energibesparing på över 4 %.

En annan avancerad metod för smarta fönster är användningen av termokromiska material, särskilt vanadinoxid (VO₂). Vid temperaturer under 68 °C befinner sig VO₂ i en monoklin fas där det släpper igenom ljus. När temperaturen överstiger denna tröskel sker en fasövergång till en tetragonal struktur (rutilefas), vilket leder till att ljus – särskilt i det infraröda spektrumet – reflekteras istället för att passera genom materialet. Denna egenskap gör det möjligt att tillverka fönster som automatiskt reglerar värmeinstrålningen beroende på yttre temperatur.

Eftersom 68 °C ofta är för högt för praktisk användning, har forskningen fokuserat på att sänka denna tröskel. Dopning av VO₂ med element som kisel, volfram, titan och magnesium kan reducera övergångstemperaturen med upp till 20 °C. Alternativt kan nanoskala VO₂ skapas genom hydrolys av V₂O₅ i svavelsyra, vilket ger partiklar på 20–40 nm och en övergångstemperatur så låg som 42 °C. Detta gör tekniken tillämpbar även i tempererade klimat. Vanliga appliceringstekniker för VO₂-baserade beläggningar inkluderar PVD, CVD och sol-gel-metoder.

Utöver ljus- och värmereglering har funktionella beläggningar även en avgörande roll i korrosionsskydd. Korrosion är ett globalt problem som enligt NACE uppskattas kosta samhället omkring 2,5 biljoner USD årligen. För att förhindra korrosion används olika metoder: elektroplätering, galvanisering, legering, katodiskt skydd och, mest utbrett, applicering av skyddande beläggningar. Beroende på miljön och typen av metall väljs olika typer av beläggningar. För större konstruktioner som broar eller fartyg används ofta epoxi- och polyuretanbeläggningar, ibland modifierade med silikoner för att förbättra väderbeständigheten.

Ett särskilt lovande material inom korrosionsskydd är grafen. Genom att integrera grafenplattor i färgformuleringar förlängs diffusionsvägen för syre och vatten, vilket kraftigt hämmar korrosionsprocessen. Den höga elektriska ledningsförmågan hos grafen – tack vare dess unika bandstruktur och delokaliserade π-elektroner – gör att materialet inte bara agerar som barriär, utan även möjliggör avledning av laddningar som annars skulle initiera korrosionsreaktioner. Praktiskt används ofta reducerat grafenoxid på grund av dess goda dispersibilitet och kompatibilitet med standardformuleringar för epoxi och polyuretan. Flera tillverkare erbjuder redan sådana lösningar kommersiellt.

Det är avgörande att förstå att dessa tekniker inte enbart h

Hur förbättras reptålighet och nötningsbeständighet i klara beläggningar?

Inom bilindustrin, där klara lacker måste kombineras med hög glans, god vidhäftning och reptålighet, är det särskilt svårt att förbättra nötningsmotståndet efter lackeringsprocessen. Traditionella metoder som mekanisk slipning och enklare rengöring begränsar möjligheterna att applicera efterbehandlingar. Tunna skikt av konventionella hårda beläggningar kan dessutom inte jämna ut ojämnheter i underlaget. Nanopartiklar löser många av dessa problem genom sin transparenta och hårda natur, men måste stabiliseras noggrant för att motverka deras inneboende tendens att flokkuleras på grund av starka elektrostatisk krafter och inkompatibilitet mellan oorganiska partiklar och organiska bindemedel.

Den avancerade sol-gel-kemin möjliggör skapandet av hybridpartiklar där både organiska och oorganiska komponenter sammanlänkas kemiskt före inkorporering i klarlacken. Detta ger en optimal balans mellan mekanisk förstärkning och optisk klarhet. Experimentella resultat visar att tillsats av endast 1 viktprocent nanopartiklar kan höja hårdheten från 6 till 10 enligt blyertshårdhetsskalan, samtidigt som reptåligheten förbättras markant, vilket möjliggör belastningar över 10 N utan synliga skador.

Den ökade nötningsbeständigheten är av avgörande betydelse inte bara inom bilindustrin, utan även för arkitektoniska och industriella beläggningar där slitaget ofta är en avgörande faktor för produktens livslängd och funktionalitet. Förstärkning av den organiska matrisens mekaniska egenskaper genom nanopartiklar gör ytan motståndskraftigare mot mikroskopiska skador och nötning, vilket i sin tur förlänger komponentens användningstid och bibehåller dess estetiska och funktionella egenskaper.

Viktigt att beakta är att utvecklingen av sådana nanopartikelbaserade klarlacker kräver noggrann kontroll av partikelstorlek och dispersion för att säkerställa att optisk klarhet och ytegenskaper bibehålls. Dessutom påverkar de kemiska bindningarna mellan partiklar och matrisens polymerstruktur både beläggningens hållbarhet och miljöpåverkan, vilket bör beaktas i vidare utveckling och kommersiell tillämpning. Stabiliteten hos nanopartiklar i den organiska matrisen är en kritisk faktor för att undvika försämrad väderbeständighet och kemisk resistens, problem som kan uppstå vid användning av stora mängder ytaktiva ämnen.

I sammanhanget av beläggningar är det även relevant att förstå den underliggande interaktionen mellan nanopartiklar och polymermatrix samt hur detta påverkar mekaniska egenskaper, såsom elasticitet och sprickbildning, över tid. Detta är särskilt viktigt när beläggningen utsätts för påfrestningar som temperatursvängningar, kemiska exponeringar och mekanisk belastning under lång tid. En hållbar lösning kombinerar därför hög hårdhet med flexibilitet för att motverka sprickbildning och öka den totala livslängden.

Hur påverkar katalysatorer och temperatur topologisk omvandling i vitrimers och vad innebär grafen för smarta beläggningar?

Vitrimers kännetecknas av sin förmåga att genomgå topologiska omvandlingar vid temperaturer över en kritisk gräns kallad topologisk fryspunkt (Tv). Över denna temperatur sker snabba utbytesreaktioner som möjliggör omstrukturering av polymerernas nätverk utan att materialets grundläggande egenskaper förändras. Under Tv beter sig vitrimers som traditionella termosetpolymerer med mycket låg reaktionshastighet, vilket beror på att viskositeten överstiger ungefär 10¹² Pa·s, en nivå där polymerernas rörlighet och därmed kemisk reaktivitet kraftigt begränsas.

Tv bestäms av polymerens kemiska sammansättning, dess reaktiva grupper samt katalysatorns karaktär och mängd. Reaktionskinetiken följer Arrhenius-lagen, vilket innebär att hastighetskonstanten ungefär fördubblas för varje 10 °C ökning i temperatur. Ett illustrativt exempel visar hur tillsats av transesterifieringskatalysatorn Zn(Acac)₂ i ett epoxysystem baserat på bisfenol A sänkte Tv från 115 °C vid 1 % katalysatorhalt till 72 °C vid 10 % katalysatorhalt. Detta möjliggör bearbetning av polymeren vid lägre temperaturer, vilket är energieffektivt och breddar användningsområdena, exempelvis vid skydd av plastsubstrat.

En avgörande egenskap hos vitrimers är att topologiska omarrangemang inte påverkar materialets slutliga prestanda, vilket gör dem särskilt värdefulla i krävande applikationer som smarta beläggningar med självläkande förmåga och mekanisk robusthet. Kombinationen av vitrimers med nanomaterial som glas- och kolfibrer, silika, aluminiumoxid, kolprickar, nanotuber och grafen ger nya möjligheter att förstärka och förbättra funktionaliteten ytterligare.

Grafen och kolnanotuber (CNT) har under de senaste två decennierna revolutionerat forskning och utveckling inom avancerade material. Grafen är ett enskikt av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster och är världens lättaste och starkaste material med en Youngs modul på cirka 1 TPa, vilket är ungefär 200 gånger starkare än stål med motsvarande vikt. Detta gör grafen till ett idealiskt tillsatsämne i polymerbeläggningar och kompositer för att förbättra mekanisk styrka och motståndskraft mot sprickbildning, till exempel vid UV-exponering.

En viktig fördel med grafen i beläggningar är dess barriärförmåga. Grafen är ogenomträngligt för gaser, inklusive helium, och minskar därigenom diffusion av vatten och syre genom beläggningen. Detta sker dels genom att grafenlager bildar långa diffusionvägar som fördröjer molekylers passage, dels genom att dess yta kan funktionaliseras med hydrofoba grupper, vilket sänker beläggningens ytenergi och gör den mindre benägen att binda vattenmolekyler. Dessa egenskaper är avgörande för att skapa effektiva korrosionsskyddande beläggningar.

Kolnanotuber upptäcktes redan 1991 av Sumio Iijima och kan ses som rullade ark av grafen. De har liknande egenskaper men används ofta i andra applikationer än grafen inom smarta beläggningar, där deras struktur och ledningsförmåga utnyttjas på olika sätt.

Att förstå dynamiken i vitrimers, deras temperaturberoende topologiska förändringar samt de förstärkande och skyddande effekterna av grafen är avgörande för att utveckla nästa generations smarta och funktionella polymerbeläggningar. Denna kunskap möjliggör design av material som kombinerar självläkning, mekanisk hållbarhet och effektiva barriärfunktioner, vilket är nödvändigt i allt från industriella skyddsbeläggningar till avancerade kompositmaterial.

Utöver det som nämnts är det viktigt att inse att katalysatorers effektivitet och stabilitet i vitrimers kan variera med tid och miljö, vilket påverkar långtidsprestandan hos materialet. Likaså måste interaktionen mellan grafen eller grafenoxid och polymermatrisen optimeras för att undvika aggregering och säkerställa att förstärknings- och barriäreffekterna utnyttjas maximalt. Dessutom är den praktiska tillverkningen och kostnaden för dessa nanomaterial fortfarande en utmaning som påverkar deras kommersiella användning.