مطالعات قابلیت خیسی روی سطوح نانوساختار و در نانولولههایی با ابعاد نانومتر مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است از زمانی که آنها نقشی کلیدی در لنزهای چشمی، مواد پزشکی، سطوح خودتمیزشونده و نچسب، مواد مختلف مور استفاده در داخل لولهها ایفا کردهاند. قابلیت خیسی با انرژی سطح، خاصیت شیمیایی سطح و ساختار آن ارتباط دارد. البته خاصیت سیال نیز نقش مهمی را ایفا میکند. راه سریع برای توضیح قابلیت خیسی سطح زاویهی تماس یک قطره باقیمانده روی آن سطح است. به عنوان مثال سطحی که زاویهی تماس بیش از 150 درجه داشته باشد(برگ نیلوفر آبی) فوق آبگریز گویند. از طرفی مقابل سطح نانولولههای تیتانیوم ایجاد شده با الکتروفورتیک فوق آبدوست میباشد. سطوح مختلفی نیز در کاربردهای ضد بخار و خود تمیز شونده استفاده میشوند. تحقیقات زیادی روی خواص خیسی نانوذرات TiO2 انجام شده اما به ندرت روی نانولولههای اکسید تیتانیوم کار شده است. در سال 2016 آقای لیو و همکارانش با روش آندایز روی تیتانیوم خاصیت خیسی نانولولههای اکسید تیتانیوم (TNT) را بررسی کردند.
فویل تیتانیوم با خلوص 99.8% به اندازههای (15 ×35×0.3 میلیمتر) بریده شدهو توسط التراسونیک درون استون، ایزوپروپیل الکل و متانول هرکدام به مدت 10 دقیقه شست و شو داده شد. سپس فویل را درون آب مقطر کرده و در هوا خشک شد. آندایز با دو الکترود که در آن تیتانیوم به عنوان آند و فویل پلاتینیوم به عنوان کاتد استفاده شد.
فاصله ی بین آند و کاتد 3.5 سانتیمتر ثابت شد. الکترولیت در تمامی آزمایشها اتیلن گلیکول شامل 0.5 درصد وزنی آمونیوم فلوراید و0.3 درصد وزنی آب مقطر بود. 4نمونه با ولتاژهای 20، 40، 60 و 80 ولت با 24 آندایز شده و سپس تحت ولتاژ 60 ولت با زمانهای مختلف (4، 8، 16و32 ساعت) آندایز شد. بعد از آندایز نمونهها در دمای 500 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت آنیل شده و با نرخ 2 درجه سانتیگراد بر دقیقه سرد شدند
در نمودار XRD تغییر ساختار فازی TNT بعد از عملیت حرارتی نشان داده شده است. از حالت آمورف به کریستالی تبدیل شده که موجب بهبود در میزان آبدوستی شده است(شکل FESEM). زاویهی تماس قطره با سطح TNT و TNT آنیل شده با تیتانیوم خام مقایسه شده و نتایج بیشترین آبدوستی را برای TNT آنیل شده با 13 درجه نشان میدهند. تست قطره تمامی نمونهها با 10 میلیلیتر آب مقطر گرفته شده است.
TNT تازه ایجاد شده آمورف است. تعداد زیادی نقاط محلی دارای ساختار آمورف باعث ایجاد مراکز به دام انداختن میشوند که کارایی TNT(فتوکاتالیک/الکترونیک)را پایین میآورد. به همین دلیل نمونه ها آنیل شدند تا ساختار کریستالی TNT حاصل شود. در نمودار XRDپیکهای بلند
نمونهی آنیل شده در مقایسه با پیکهای ملایم نمونهی آنیل نشده که Ti را نشان میدهد، این موضوع را اثبات میکند. با توجه به پیکهای نمونهی آنیل شده فاز آناتاس شده است.
مطالعات ابتدایی خاصیت خیسی به خوبی بررسی شده است، در حالی که اثر ظریب ابعادی نانو در این بحث هنوز جای کار دارد. برای افتادن یک قطره روی سطح صاف معادلهی اولیهی یانگ به صورت زیر است در اینجا زاویهی تماس، کشش سطحی با اندیسهای آورده شده به ترتیب برای مایع، گاز و حالت جامد، خط کشش از خط سهگانه و k انحنای خط سهگانه است
واضح است که این معادله نه تنها اثر ابعاد نانو را در نظر نگرفته، برهمکنش مولکولی بین مایع و جامد درمورد اجزای کشش سطحی را نیز محاسبه نمیکند. شکل -ب سرعت القا شده از هوای اطراف پخش شدن قطره را نشان میدهد. مشکلات محاسبه وقتی خود را نشان میدهند که بخواهیم خیسی داخل نانولولهها و یا مویینگیهای کوچک را در نظر بگیریم. رابطهی واشبرن طول نفوذ z را در زمان t از یک سیال در یک مویین با ضخامت R به صورت زیر نشان داده شده است:
کشش سطحی جامد/مایع و سرعت برشی ورود مایع است. قطر ظاهرا بزگ نانولولههای کربنی (200 نانومتر) با پر شدن آنها توسط آب کاهش مییابد. وقتی لوله پر میشود با بازیابی شکل حداقل انرژی منسوب به قسمت شعاعی روی مایع اثر میگزارد. البته در محاسبات برای لولههای بسیار نازک این موضوع در نظر گرفته نمیشود. شبیهسازی دینامیک مولکولی نشان داد که وجود لایهی پیشماده در پر شدن مویینگی باعث اعوجاج پیدا کردن فرم انحناهای سطح میشود. این اعوجاج به خاطر برهمکنش مرز سطحی و فشار جدایش ایجاد شده توسط برهمکنش های مولکولی در بین مایع و جامد میباشد. هنوز اثر این عوامل کاملا مورد مطالعه و درک نشده است.
در بررسی آبدوستی TNT تیانیوم خام بیشترین زاویهی تماس و به طور ذاتی آبگریز با زاویه تماس حدود 90 درجه را داشت. با تشکیل نانولولههای اکسید تیتانیوم روی آن سطح آبدوست با زاویهی تماس 24 درجه شد. که کاهش 74 درصدی زاویه تماس را با فویل خام نشان میدهد. این به دلیل ایجاد شدن سطح تماس زیاد TNT برای سیال است.
معمولا با آنیل کردن فلزات سطوح آنها آبگریز میشوند اما در مورد TNT ها سطوح بعد از آنیل شدن آبدوست با زاوه تماس حدود 13 درجه شدند. این به دلیل تشکیل فاز آناتاس در دمای آنیل و خاصیت آیدوستی این فاز میباشد. دلیل دیگر احتمالا به خاطر افزایش فاصلهی بین نانولولهها بعد از آنیل شدن است که باعث ایجاد فضای بیشتری برای نفوذ سیال میشود.
درک طول و قطرهای نانولولهها، آنها را در کاربردهای پوششدهی جالب توجه میکند. پر کردن لوله، جریان واکنشهای فتوکاتالیتیک و روشن شدن در سلولهای خورشیدی. راه حل تولید اینچنین پوششهای نانولولهای تشکیل لایهای نانولوله و سپس جدا کردن آن از زیرلایه و سپس گرفت عکس از قسمت پشت پوشش است که رد ایجاد شده روی سطح را میتوان مشاهده کرد.
درعکس FESEM از نمای پایین TNT ها بعد از جدایش لایه از زیرلایهی تیتانیومی اثر تشکیل لایه روی زیرلایه باقی مانده و در عکس قابل مشاهده است. پشت پوستهی ایجاد شده شامل TNT های بسته شده با قطر حدود 200 نانومتر است. یک لایهی محافظ بین TNT ها و زیرلایه وجود دارد که در آن تعداد زیادی آنیون (F–، O–، OH–) و کاتیونها فلزی Tin+ در جاهای مختلفی ترکیب شده اند. بنابر این ترکیب شیمیایی آن با ساختار نانولولههای اکسید تیتانیوم متفاوت است. شکل 2‑13 c و d به ترتیب خاصیت خیسی پشت لایه و اثر بهجای مانده روی زیر لایه را نشان میدهد. در قسمت پشت لایه نانولولهها زاویه تماس در حدود 0 درجه است که خاصیت فوق آبدوستی را نشان میدهد. این موضوع به دلیل وجود نتایج واکنشهای سمت
لایهی محافظ که شامل اجزای هیدروکسیدی بیشتر که باعث افزایش آبدوستی میشود هست . اثر بهجای مانده روی تیتانیوم زاویه تماس حدود 68 درجه را داشت که آبگریز بوده و نسبت به زاویه تماس قبل از پوششدهی این مقدار کاهش یافته است.
در ولتاژهای 20 یا 40 ولت حفرهها کوچک اند و بالطبع سطح میکرو نیز صاف است، اندازهی سورخ نانولولهها به ترتیب 30 و 70 نانومتر است. در ولتاژها بالاتر 60 و 80 ولت میزان اچ شدن سطح بیشتر بوده است. در 60 ولت ابعادسوراخ در حدود 140 نانومتر بوده که اچ های نا متعارفی در سطح رخ داده است. بهعلاوه لایهی ایجاد شده در 80 ولت نیز دارای چگالی کمتر و نظم کمتر نانولولهها است. سطحها ایجاد شده دارای رنگهای متفاوتی هستند، این تفاوت بهخاطر پدیدهی تداخل پرتوها بین نور بازتاب شده از لایهی اکسیدی و نور بازتاب شده از سطح مشترک لایه اکسیدی با زیرلایهی تیتانیوم است. هرچه ولتاژ آندایز بالاتر رفته ضخامت لایهی اکسیدی تغییر میکند و رنگ نور بازتابی متفاوت خواهد بود. قطر نانولولهها و ضخامت لایهی اکسیدی به صورت خظی با ولتاژ اعمالی متناسب است. وقتی ولتاژ از 20 تا 80 ولت تغییر میکند، قطر و طول TNT ها از 30 تا 90نانومتر و 5تا 40 میکرومتر تغییر میکند.به طور کلی اعمال ولتاژ بالا سطحی با انرژی بالا را ایجادمیکند، مخصوصا وقتی ولتاژ آندایز از 60 ولت بالاتر میرود زبری سطح و نیروی مویینگی به دلیل نامرتب شدن نانوساختار افزایش مییابد که نیروی بیشتری برای نفوذ یا پخش شدگی فراهم میسازد و نمونه ها با آب کاملا خیس میشوند.
در شکل عکسهای FESEM از TNT های آندایز شده در 60 ولت d عکسهای FESEM از TNT ها تولید شده در ولتاژ 60 ولت با زمانهای مختلف آورده شده است. قطر نانو لوله با افزایش زمان آندایز افزایش نمییابد. ابتدا حفرهها تشکیل شده و قطر به شدت افزایش مییابد و باسپری شدن زمان آندایز اندازهی قطر ثابت باقی میماند. اگرچه طول نانولوله ها تازمانی که سرعت عمل اچ سطحی توسط فلوراید با سرعت تشکیل نانولولهها یکسان شود ومعادله به حالت پایدار برسد، افزایش مییابد. این شرایط پایدار معمولا درالکترولیت اتیلن گلیکول بعد از 15 الی 20 ساعت رخ میدهد. نتایج نشان میدهدکه سطوح ایجاد شده آبدوست بوده زیرا زاویه تما آنها کمتر از 65 درجه است. به طور کلی اندازه ی زاویه ی تماس TiO2 با افزایش زمان آندایز کاهش مییابد زیرا با افزایش زمان آندایز نانولوله ها منظمتر خواهند شد و
ساختار سطحی یکنواختتری خواهند داشت.
