Hidrofobik

Untuk kegunaan lain, lihat Hidrofobia.

Dalam kimia, hidrofobisitas adalah sifat fisik dari suatu molekul (disebut sebagai molekul hidrofobik) yang tampaknya ditolak dari massa air.^[1] (Sebenarnya, tidak ada kekuatan tolakan yang terlibat, hal ini disebabkan karena tidak adanya daya tarik). Sebaliknya, hidrofilik merupakan senyawa yang tertarik pada air.

Tetesan air pada permukaan hidrofobik rumput

Molekul hidrofobik cenderung nonpolar dan, dengan demikian, lebih memilih molekul netral dan pelarut nonpolar lainnya. Karena molekul air bersifat polar, hidrofobik tidak larut baik di antara mereka. Molekul hidrofobik dalam air sering berkumpul bersama, membentuk misel. Air pada permukaan hidrofobik akan menunjukkan sudut kontak yang tinggi.

Contoh molekul hidrofobik meliputi alkana, minyak, lemak, dan zat berminyak pada umumnya. Bahan hidrofobik digunakan untuk pengangkatan minyak dari air, pengelolaan tumpahan minyak, dan proses pemisahan kimia untuk menghilangkan zat non-polar dari senyawa polar.^[2]

Hidrofobik sering digunakan secara bergantian dengan lipofilik, "suka-lemak". Namun, kedua istilah tersebut tidak sama artinya. Sementara zat hidrofobik biasanya bersifat lipofilik, ada pengecualian—seperti silikon dan fluorokarbon.

Istilah hidrofob berasal dari bahasa Yunani Kuno ὑδρόφοβος, "memiliki ketakutan terhadap air", dibangun dari kata ὕδωρ, "air", dan φόβος, "takut".^[3]

Latar belakang

Interaksi hidrofobik sebagian besar merupakan efek entropik yang berasal dari terganggunya ikatan hidrogen yang sangat dinamis antara molekul air cair oleh zat terlarut nonpolar yang membentuk struktur clathrate di sekitar molekul non-polar. Struktur ini terbentuk lebih tinggi daripada molekul air bebas karena molekul air mengatur dirinya untuk berinteraksi semaksimal mungkin dengan dirinya sendiri, dan dengan demikian menghasilkan keadaan entropik yang lebih tinggi yang menyebabkan molekul non-polar berkumpul bersama untuk mengurangi luas permukaan yang terkena air serta mengurangi entropi sistem.^[4][5] Jadi, dua fasa tak bercampur (hidrofilik vs hidrofobik) akan berubah sehingga daerah antarmuka yang sesuai akan menjadi minimal. Efek ini dapat divisualisasikan dalam fenomena yang disebut perpisahan fasa.

Superhidrofobisitas

Artikel utama: Superhidrofobik

Tetesan air pada daun tanaman Teratai.

Permukaan superhidrofobik, seperti daun tanaman teratai, adalah tanaman yang sangat sulit untuk dibasahi. Sudut kontak tetesan air melebihi 150°.^[6] Ini disebut sebagai efek Lotus, dan terutama merupakan sifat fisik yang terkait dengan tegangan permukaan, bukan sifat kimia.

Teori

Pada tahun 1805, Thomas Young mendefinisikan sudut kontak θ dengan menganalisis gaya yang bekerja pada tetesan cairan yang bertumpu pada permukaan padat yang dikelilingi oleh gas.^[7]

${\displaystyle \gamma _{\text{SG}}\ =\gamma _{\text{SL}}+\gamma _{\text{LG}}\cos {\theta }\,}$

dimana

${\displaystyle \gamma _{\text{SG}}\ }$ = Tegangan permukaan antara padat dan gas

${\displaystyle \gamma _{\text{SL}}\ }$ = Tegangan permukaan antara padat dan cair

${\displaystyle \gamma _{\text{LG}}\ }$ = Tegangan permukaan antara cair dan gas

θ dapat diukur menggunakan goniometer sudut kontak.

Tetesan yang menempel pada permukaan padat dan dikelilingi oleh bentuk gas merupakan sudut kontak karakteristik θ. Jika permukaan padat kasar, dan cairannya berhubungan intim dengan asperities padat, tetesannya berada dalam keadaan Wenzel. Jika cairan berada di puncak asperities, ada dalam keadaan Cassie-Baxter.

Wenzel menentukan bahwa saat cairan berhubungan intim dengan permukaan mikro, θ akan berubah menjadi θ_W*

${\displaystyle \cos {\theta }_{W}*=r\cos {\theta }\,}$

dimana r adalah rasio luas sebenarnya ke daerah yang diproyeksikan.^[8] Persamaan Wenzel menunjukkan bahwa struktur mikro suatu permukaan menguatkan kecenderungan alami permukaan. Permukaan hidrofobik (yang memiliki sudut kontak asli lebih besar dari 90°) menjadi lebih hidrofobik bila mikrostruktur – sudut kontak barunya menjadi lebih besar dari aslinya. Namun, permukaan hidrofilik (yang memiliki sudut kontak asli kurang dari 90°) menjadi lebih hidrofilik bila dibuat mikro – sudut kontak barunya menjadi lebih kecil dari aslinya.^[9]

Cassie dan Baxter menemukan bahwa jika cairan tersuspensi di puncak mikrostruktur, θ akan berubah menjadi θ_CB*:

${\displaystyle \cos {\theta }_{\text{CB}}*=\varphi (\cos \theta +1)-1\,}$

dimana φ adalah luas fraksi padat yang menyentuh cairan.^[10] Cairan dalam keadaan Cassie-Baxter lebih bergerak daripada dalam keadaan Wenzel.

Kita dapat memprediksi apakah keadaan Wenzel atau Cassie-Baxter yang harus ada dengan menghitung sudut kontak baru dengan kedua persamaan. Dengan meminimalkan argumen energi bebas, hubungan yang memperkirakan bahwa sudut kontak kontak yang lebih kecil adalah keadaan yang paling mungkin ada. Dinyatakan dalam istilah matematis, agar keadaan Cassie-Baxter ada, ketidaksetaraan berikut pasti benar.^[11]

${\displaystyle \cos \theta >{\frac {\varphi -1}{r-\varphi }}}$

Kriteria alternatif baru-baru ini untuk keadaan Cassie-Baxter menegaskan bahwa keadaan Cassie-Baxter ada saat 2 kriteria berikut terpenuhi: 1) Gaya kontak garis mengatasi kekuatan badan dari berat tetesan yang tidak didukung dan 2) Mikrostrukturnya cukup tinggi untuk mencegah cairan yang menjembatani mikrostruktur untuk menyentuh dasar mikrostruktur.^[12]

Kriteria baru untuk beralih antara keadaan Wenzel dan Cassie-Baxter telah dikembangkan baru-baru ini berdasarkan kekasaran permukaan dan energi permukaan.^[13] Kriteria tersebut berfokus pada kemampuan perangkap udara di bawah tetesan cairan pada permukaan kasar, yang dapat mengetahui apakah model Wenzel atau model Cassie-Baxter harus digunakan untuk kombinasi kekasaran permukaan dan energi tertentu.

Sudut kontak adalah ukuran hidrofobisitas statis, dan histeresis sudut kontak dan sudut geser adalah ukuran dinamis. Sudut kontak histeresis adalah fenomena yang mencirikan heterogenitas permukaan.^[14] Bila pipet menyuntikkan cairan ke padatan, cairan akan membentuk beberapa sudut kontak. Saat pipet menyuntikkan lebih banyak cairan, tetesan akan meningkat dalam volume, sudut kontak akan meningkat, namun batas tiga fasa akan tetap diam sampai tiba-tiba maju ke luar.

Riset dan pengembangan

Tetesan air bergulir di atas permukaan hidrofobik yang miring.

Dettre dan Johnson menemukan pada tahun 1964 bahwa fenomena superhidrofobik, efek Lotus terkait dengan permukaan hidrofobik yang kasar, dan mereka mengembangkan model teoretis berdasarkan eksperimen dengan manik-manik kaca yang dilapisi dengan parafin atau telomer TFE. Sifat pembersihan diri dari permukaan mikro-nanostruktur superhidrofobik dilaporkan terjadi pada tahun 1977.^[15] Perfluoroalkil, perfluoropolieter dan RF plasma membentuk bahan superhidrofobik dikembangkan, digunakan untuk electrowetting dan dikomersialkan untuk aplikasi bio-medis antara tahun 1986 dan 1995.^{[16][17][18][19]} Teknologi dan aplikasi lain telah muncul sejak pertengahan tahun 1990-an.^[20] Komposisi hirarkis superhidrofobik tahan lama, diterapkan dalam satu atau dua langkah, diungkapkan pada tahun 2002 yang terdiri dari partikel berukuran nano ≤ 100 nanometer yang melapisi permukaan yang memiliki fitur berukuran mikrometer atau partikel ≤ 100 mikrometer. Partikel yang lebih besar diamati untuk melindungi partikel yang lebih kecil dari abrasi mekanis.^[21]

Aplikasi potensial

Semen hidrofobik telah dipasarkan selama beberapa dekade. Penelitian terbaru yang aktif tentang bahan superhidrofobik pada akhirnya dapat menyebabkan aplikasi industri lebih banyak. Misalnya, rutinitas dan oleh sederhana pelapis kain katun dengan partikel silika^[22] atau titania^[23] dengan teknik sol-gel telah dilaporkan, yang melindungi kain dari sinar UV dan membuatnya superhidrofobik. Juga, rutinitas yang efisien telah dilaporkan untuk membuat polietilena superhidrofobik dan dengan demikian membersihkan diri.^[24]—99% kotoran yang terserap pada permukaan seperti itu mudah dicuci.

Lihat pula

• Amfifil
• Hidrofilik
• Deterjen
• Polaritas
• Fosfolipid

Referensi

1. Aryeh Ben-Na'im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York, ISBN 0-306-40222-X
2. Akhavan B, Jarvis K, Majewski P (November 2013). "Hydrophobic Plasma Polymer Coated Silica Particles for Petroleum Hydrocarbon Removal". ACS Appl. Mater. Interfaces. 5 (17): 8563–8571. doi:10.1021/am4020154. PMID 23942510.
3. Liddell, H.G. & Scott, R. (1940). A Greek-English Lexicon. revised and augmented throughout by Sir Henry Stuart Jones. with the assistance of. Roderick McKenzie. Oxford: Clarendon Press.
4. Garrett, Reginald; Grisham, Charles (January 5, 2012). Biochemistry. Cengage Learning. hlm. 31–35. ISBN 978-1133106296.
5. Silverstein TP (1998). "The Real Reason Why Oil and Water Don't Mix" (PDF). Journal of Chemical Education. 75: 116–346. doi:10.1021/ed075p116. Diakses tanggal 9 December 2011.
6. Wang S, Jiang L (2007). "Definition of superhydrophobic states". Advanced Materials. 19 (21): 3423–3424. doi:10.1002/adma.200700934.
7. Young, T. (1805). "An Essay on the Cohesion of Fluids". Phil. Trans. R. Soc. Lond. 95: 65–87. doi:10.1098/rstl.1805.0005.
8. Wenzel, RN (1936). "Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water". Ind. Eng. Chem. 28 (8): 988–994. doi:10.1021/ie50320a024.
9. de Gennes, Pierre-Gilles (2004). Capillarity and Wetting Phenomena. ISBN 0-387-00592-7.
10. Baxter AB, Cassie S (1944). "Wettability of Porous Surfaces". Trans. Faraday Soc. 40: 546–551. doi:10.1039/tf9444000546.
11. Quere, D (2005). "Non-sticking Drops". Reports on Progress in Physics. 68 (11): 2495–2532. Bibcode:2005RPPh...68.2495Q. doi:10.1088/0034-4885/68/11/R01.
12. Extrand CW (2005). "Modeling of ultralyophobicity: Suspension of liquid drops by a single asperity". Langmuir. 21 (23): 10370–10374. doi:10.1021/la0513050. PMID 16262294.
13. Zhang YL, Sundararajan S (2008). "Superhydrophobic engineering surfaces with tunable air-trapping ability". Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (3): 035024. Bibcode:2008JMiMi..18c5024Z. doi:10.1088/0960-1317/18/3/035024.
14. Johnson RE, Dettre RH (1964). "Contact Angle Hysteresis". J. Phys. Chem. 68 (7): 1744–1750. doi:10.1021/j100789a012.
15. Barthlott, Wilhelm; Ehler, Nesta (1977). Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten. Tropische und subtropische Pflanzenwelt (dalam bahasa German). hlm. 110. ISBN 978-3-515-02620-8.Pemeliharaan CS1: Bahasa yang tidak diketahui (link)
16. J. Brown. "US Patent 4,911,782".
17. J. Brown. "US Patent 5,200,152".
18. National Science Foundation. "Stopped-Flow Cytometer".
19. J. Brown. "US Patent 5,853,894". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2017-01-22. Diakses tanggal 2017-06-30.
20. Barthlott, Wilhelm; C. Neinhuis (1997). "The purity of sacred lotus or escape from contamination in biological surfaces". Planta. 202: 1–8. doi:10.1007/s004250050096.
21. J. Brown. "US Patent 6,767,587".
22. Xue CH, Jia ST, Zhang LQ, Chen HZ, Wang M (1 July 2008). "Preparation of superhydrophobic surfaces on cotton textiles". Science and Technology of Advanced Materials. 9 (3): 035008. doi:10.1088/1468-6996/9/3/035008.
23. Xue CH, Jai ST, Chen HZ, Wang H (1 July 2008). "Superhydrophobic cotton fabrics prepared by sol–gel coating of TiO and surface hydrophobization". Science and Technology of Advanced Materials. 9 (3): 035001. doi:10.1088/1468-6996/9/3/035001.
24. Yuan Z, Chen H, Zhang J, Zhao D, Liu Y, Zhou X, Li S, Shi P, Tang J, Chen X (1 December 2008). "Preparation and characterization of self-cleaning stable superhydrophobic linear low-density polyethylene". Science and Technology of Advanced Materials. 9 (4): 045007. doi:10.1088/1468-6996/9/4/045007.