Superhydrofobowe pokrycia wkraczają na kościelne salony

W zamierzchłej przeszłości bloga opisywałem zastosowanie tzw. substancji superhydrofobowych jako pokryć, które mogłby pomóc nam uporać się z cieknącymi (po szyjce) czajnikami. Problem jest niebłahy, jak powie Wam każdy Anglik zafrasowany wielką herbacianą plamą na kolejnym obrusie. Tłumaczyłem wówczas, czym są substancje hydrofobowe, a w skrajnych wypadkach – superhydrofobowe. Z definicji są to po prostu związki, które przez wzgląd na swoją strukturę chemiczną nie lubią wody. Dzisiaj takie hydrorepelenty są pewnie dla większości z nas codziennością: stosowane są bowiem do impregnacji ubrań wodoodpornych, i w ogóle do impregnacji czegokolwiek, co ma się wodzie opierać. Takimi związkami są też na przykład teflon oraz guma.

Temat związków superhydrofobowych powrócił rok temu, gdy opisywałem badania grupy chińskich naukowców, którzy opracowali superhydrofobowy polimer w formie proszku, który łatwo nanosić na przeróżne powierzchnie: najciekawszym chyba zastosowaniem było rozprowadzenie tego proszku po skórze dłoni, tworząc swego rodzaju rękawiczki – wspominałem wówczas o spekulacjach autorów nad zastosowaniem tego polimeru, jako niewidocznego dopingu w miejsce zabronionych obecnie strojów pływackich zakrywających całe ciało.

ResearchBlogging.org

Zastosowania substancji hydrofobowych jako pokryć to temat-rzeka; nic dziwnego zatem, że po raz kolejny powraca na łamy nic prostszego. Tym razem chciałbym dwa słowa powiedzieć o badaniach grupy brytyjsko-amerykańskiej, która swoje wyniki opublikowała zaledwie kilka dni temu na łamach pisma Scientific Reports. Grupa pod kierunkiem dr Karen Wilson przyjrzała się bardzo poważnemu problemowi niszczenia budynków zabytkowych, ze szczególnym naciskiem na gotycką katedrę York Minster w Yorku.

Katedra York Minster w Yorku. /źródło: wiki; Andy Beecroft (CC BY-SA 2.0)
Katedra York Minster w Yorku. /źródło: wiki; Andy Beecroft (CC BY-SA 2.0)

Mająca niemal półtora tysiąca lat katedra zbudowana była z kamienia wapiennego (czyli głównie węglanu wapnia oraz węglanu wapniowo-magnezowego). Przez lata jednak w trakcie wielu napraw i renowacji wapień został po części zastąpiony materiałami zawierającymi gips (siarczan wapnia). Dodatkowym źródłem siarczanów prowadzących do degradacji wapienia do gipsu są zaś oczywiście „kwaśne deszcze” – transportujące zawarte w zanieczyszczonym powietrzu tlenki siarki z powrotem na ziemię – i na niczego się nie spodziewającą katedrę. I chociaż od takiej chemicznie indukowanej erozji katedra się raczej nie zawali, tego samego nie można powiedzieć o jej elementach ozdobnych, o jej bogatej ornamentyce.

Ponieważ głównym źródłem tego zniszczenia jest woda – zarówno jako inicjator reakcja „usiarczaniania” (sulfonacji) wapienia, jak i jako medium, które transportuje te złowrogie siarczany w głąb struktury – badacze zwrócili się w stronę rozwiązania oczywistego: warstw ochronnych zapobiegających kontaktowi deszczu ze ścianami katedry.

Naukowcy wypróbowali kilka znanych hydrofobowych polimerów: polimery akrylowe, kwas polimaleinowy, fluoroalkilosiloksany, metylotrietoksykrzemiany i wiele innych. Okazało się jednak, że wszystkie te substancje – chociaż ich kwalifikacji jako hydrorepelentów nie da się przecenić – posiadają jedną podstawową wadę: blokują mikroporowatą strukturę kamienia nie pozwalając mu „oddychać”. W dodatku niektóre z tych związków mogą z czasem pęcznieć, co oznacza, że zastosowane na ścianach katedry mogłyby jeszcze bardziej jej zaszkodzić.

Badacze opracowali zatem całkiem nowe pokrycie będące mieszaniną samoorganizujących się kwasów tłuszczowych oraz fluorowanej domieszki. Pokrycie to zostało przetestowane na wapiennych nanokryształach pod kątem ochrony przed sulfonacją zarówno w suchych jak i wilgotnych warunkach. Okazało się, że i owszem, nowa powłoka stanowi znakomitą ochronę dla wapiennej powierzchni. Oczywiście jednak od nanokryształów do wielkich kamieni stosowanych w starych budowlach daleka jest jeszcze droga. Dlatego uczeni postanowili to nowe pokrycie przetestować na dziewiętnastowiecznym kamieniu wapiennym:

Po lewej oryginalny XIX-wieczny kamień wapienny stosowany w budownictwie; po prawej taki sam kamień pokryty nową powłoką. Do roztworu kwasu siarkowego, który został naniesiony na oba kamienie, dodano czerwonego barwnika, aby lepiej można było zaobserwować zachowanie roztworu gołym okiem. /Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd.: Walker et al., Sci Rep 2: 880 (2012); doi: 10.1038/srep00880
Po lewej oryginalny XIX-wieczny kamień wapienny stosowany w budownictwie; po prawej taki sam kamień pokryty nową powłoką. Do roztworu kwasu siarkowego, który został naniesiony na oba kamienie, dodano czerwonego barwnika, aby lepiej można było zaobserwować zachowanie roztworu gołym okiem. /źródło: Walker et al., Sci Rep 2: 880 (2012); doi: 10.1038/srep00880 (CC BY-NC-ND)

Jak widać, po naniesieniu na kamień nowego materiału umieszczony na jego powierzchni roztwór kwasu siarkowego nie tylko nie wnikał wewnątrz struktury kamienia, ale w ogóle pozostawał w postaci nieco spłaszczonej kropli: zjawisko takie jest objawem właśnie hydrofobowości powierzchni.

Być może zatem, jeśli dalsze testy wypadną pomyślnie (a rzesze lokalnych samorządowców, konserwatorów i innej gawiedzi wreszcie się na to zgodzą), katedra York Minster, jak i wiele innych budowli zmagających się z podobną bolączką, zostanie zabezpieczona za pomocą tego nowego rozwiązania. Pamiętać tu jednak trzeba oczywiście o kilku sprawach, których autorzy pracy nie poruszają.

Po pierwsze, pokrycie całej katedry taką powłoką to praca nie na jeden dzień; po drugie, nowa powłoka nie pomoże tym fragmentom budowli, które już uległy erozji; i po trzecie, taka powłoka zapewne nie jest odporna na zniszczenia mechaniczne, a więc będzie wymagała odnawiania co jakiś czas. I może się niestety okazać, że gdy skończy się jej nanoszenie na jednym końcu katedry, to trzeba będzie już wracać na drugi i zaczynać od nowa. Po prostu: proza życia…

Walker, R., Wilson, K., Lee, A., Woodford, J., Grassian, V., Baltrusaitis, J., Rubasinghege, G., Cibin, G., & Dent, A. (2012). Preservation of York Minster historic limestone by hydrophobic surface coatings Scientific Reports, 2 DOI: 10.1038/srep00880

Reklamy

2 Comments

  1. Wspomniales o braku informacji na temat aspektów technologicznych i trwałości. Mnie za to zastawia jaki miałby taki środek wpływ na środowisko – jakby nie było w prepracie jest jakaś fluorowana domieszka, a z głównymi składnikami też może być różnie…

    Polubienie

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s