Гидрофобность — свойство отталкивать воду¶

Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωр — «вода» и φόβος — «страх») — свойство поверхностей и материалов отталкивать воду, не смачиваться ею и не поглощать её. Гидрофобным называют вещество, молекулы или поверхность которого имеют слабое сродство к молекулам воды, из-за чего капли воды сохраняют на них сферическую форму и легко скатываются. Противоположное свойство — гидрофильность («водолюбие»), при котором вода смачивает поверхность и растекается по ней плёнкой.

¶Физико-химическая природа

Вода — полярная молекула, способная образовывать водородные связи. Поэтому она хорошо смачивает полярные поверхности (стекло, целлюлозу, многие оксиды). Гидрофобные вещества, напротив, состоят из неполярных молекул — углеводородов, силиконов, фторуглеродов, — которые не образуют водородных связей с водой.

При контакте воды с такой поверхностью молекулы воды внутри капли связаны друг с другом сильнее, чем с молекулами поверхности. В результате капля сворачивается в сферу, минимизируя площадь контакта. Степень гидрофобности оценивают по углу смачивания θ между поверхностью и касательной к капле:

¶Природные примеры

Гидрофобность широко распространена в природе. Наиболее известный пример — листья лотоса (Nelumbo nucifera): их поверхность покрыта микроскопическими бугорками из восковых кристаллов, вода на них скатывается, унося частицы грязи (так называемый «эффект лотоса»). Аналогичные свойства имеют листья капусты, каланхоэ, некоторых злаков.

Гидрофобный пух обитает у водоплавающих птиц: перья пропитаны жиром из копчиковой железы, что сохраняет их водоотталкивающие свойства и обеспечивает плавучесть. Шерсть млекопитающих, ведущих полуводный образ жизни (выдры, бобры, барсуки), также обладает гидрофобным покрытием.

У насекомых гидрофобные покровы встречаются у прыгающих пауков-скакунов, которые могут ходить по поверхности воды, и у клопов-водомерок, использующих поверхностное натяжение воды.

¶Синтетические материалы и покрытия

В промышленности гидрофобные свойства придают материалам несколькими способами:

• Покрытия на основе силиконов — кремнийорганические составы, создающие плёнку с низкой поверхностной энергией.
• Фторуглеродные покрытия — тефлон (ПТФЭ) и аналоги, обладающие одними из самых низких значений поверхностной энергии среди твёрдых веществ.
• Наноструктурные покрытия — нанесение на поверхность наночастиц кремнезёма или диоксида титана с последующей обработкой гидрофобным агентом, что создаёт шероховатость на микро- и наноуровне.
• Гидрофобизаторы для строительных материалов — кремнийорганические составы (силаны, силоксаны), которыми обрабатывают бетон, кирпич, камень, дерево для защиты от влаги.

Особый класс — супергидрофобные покрытия, имитирующие структуру листа лотоса. На них вода не только не смачивает поверхность, но и не задерживается: капли скатываются, захватывая загрязнения. Такие покрытия применяют для антигрязевых и самоочищающихся поверхностей.

¶Применение

Гидрофобные материалы используются в самых разных областях:

• Строительство — гидроизоляция фундаментов, фасадов, кровель; защита бетона от замерзания и коррозии.
• Текстильная промышленность — водоотталкивающая пропитка тканей для одежды, обуви, тентов.
• Автопром — антикоррозийные покрытия кузовов, гидрофобные составы для лобовых стёкол.
• Электроника — защита плат и разъёмов от влаги.
• Медицина — гидрофобные покрытия на имплантах и катетерах для снижения адгезии бактерий.
• Нефтегазовая отрасль — обработка внутренних поверхностей труб для снижения отложений.

¶Гидрофобность и гидрофильность в биологии

В биологических системах гидрофобные и гидрофильные свойства определяют структуру молекул. Фосфолипиды клеточных мембран имеют гидрофильную «голову» и две гидрофобные «хвостовые» цепи, что заставляет их самопроизвольно формировать билипидный слой. Белки складываются так, что гидрофобные аминокислоты оказываются внутри молекулы, а гидрофильные — на поверхности. Спиртовые растворы не смешиваются с водой в силу гидрофобного эффекта.

¶Отличие гидрофобности от гидрофобизации

Гидрофобность — фундаментальное свойство вещества, определяемое химической природой его молекул. Гидрофобизация — процесс искусственного придания гидрофобных свойств материалу, который ими не обладает (например, обработка пористого бетона кремнийорганическим составом). При этом материал остаётся паропроницаемым, но перестаёт впитывать жидкие капли.

Источники:

• «Физическая химия» — Глущенко Н. П., М.: Колос
• «Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества» — Буравцов В. А.
• «Нанотехнологии в строительстве» — сборник статей, М.: АСВ
• «Ботаника: морфология и анатомия растений» — Ермаков С. П. и др.
• «Химия полимеров» — Кардашов С. В.