DFT- und QSAR-Studien von PTFE/ZnO/SiO2-Nanokomposit

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9696 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Polytetrafluorethylen (PTFE) ist eines der bedeutendsten Fluorpolymere und eine der jüngsten Initiativen besteht darin, seine Leistung durch den Einsatz von Metalloxiden (MOs) zu steigern. Folglich wurden die Oberflächenmodifikationen von PTFE mit zwei Metalloxiden (MOs), SiO2 und ZnO, einzeln und als Mischung der beiden MOs, mithilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) modelliert. Das B3LYPL/LANL2DZ-Modell wurde in den durchgeführten Studien verwendet, um die Änderungen der elektronischen Eigenschaften zu verfolgen. Das Gesamtdipolmoment (TDM) und die HOMO/LUMO-Bandlückenenergie (∆E) von PTFE, die jeweils 0,000 Debye und 8,517 eV betrugen, wurden im Fall von PTFE/4ZnO/4SiO2 auf 13,008 Debye und 0,690 eV erhöht. Darüber hinaus änderte sich mit zunehmendem Nanofüllstoff (PTFE/8ZnO/8SiO2) der TDM auf 10,605 Debye und ∆E sank auf 0,273 eV, was zu einer weiteren Verbesserung der elektronischen Eigenschaften führte. Die Studien zum molekularen elektrostatischen Potenzial (MESP) und zur quantitativen Strukturaktivitätsbeziehung (QSAR) zeigten, dass die Oberflächenmodifikation von PTFE mit ZnO und SiO2 seine elektrische und thermische Stabilität erhöhte. Der verbesserte PTFE/ZnO/SiO2-Verbundstoff kann daher aufgrund der Erkenntnisse relativ hoher Mobilität, minimaler Reaktivität gegenüber der Umgebung und thermischer Stabilität als selbstreinigende Schicht für Astronautenanzüge verwendet werden.

Polyethylennaphthalat (PEN), Polyethylenterephthalat (PET) und Polytetrafluorethylen (PTFE) gehören aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit und elektrischen Eigenschaften sowie ihres niedrigen Reibungskoeffizienten, ihrer hohen Temperaturbeständigkeit und ihrer Kosteneffizienz zu den bekannten Polymeren1. Superhydrophobe Materialien wie Fluorpolymere haben sich in einer Reihe von Anwendungen zu einem außerordentlichen Vorteil entwickelt, darunter Selbstreinigung, Vereisungs- und Korrosionsschutz sowie Schutzeigenschaften wie hohe Effizienz2,3. Intelligente Textilien gelten ebenfalls als neuer Trend, der auf Fluorpolymeren mit Nanomaterialien basiert und zur Verbesserung von Textilien wie Raumanzügen und Handschuhen, medizinischen Anwendungen wie OP-Bekleidung und der Verwendung in intelligenten Krankenhäusern eingesetzt werden könnte4,5. PTFE ist eine Polymermatrix mit niedriger Oberflächenenergie und chemisch und thermisch stabil6. Intelligente Materialinnovationen könnten in Raumfahrtanwendungen wie Raumanzügen und Lagerung eingesetzt werden, indem Materialien so modifiziert werden, dass sie auf Änderungen der Umgebungstemperatur oder sogar der Körpertemperatur reagieren7,8,9. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie gewinnen PTFE-Eigenschaften wie Korrosionsschutzeigenschaften immer mehr an Bedeutung. Die Bedeutung ergibt sich aus seinen Vorteilen, die für den Schutz von Materialien vor Rissbildung und/oder Korrosion in der rauen Luft- und Raumfahrtumgebung von entscheidender Bedeutung sind. Daher ist die Verwendung einer Korrosionsschutzsubstanz zum angemessenen Schutz und zur Vermeidung von Rost und Korrosion von Astronautenanzügen ein neuartiger Ansatz10,11,12. Die effektive Herstellung einer breiten Palette von Sensoren wird durch die Verwendung von PTFE als Substrat für das Wachstum von ZnO-Nanoröhren sowie durch seine mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften ermöglicht13. Nano-Siliziumdioxid ist eine Art Keramikmaterial, das über mehrere einzigartige Eigenschaften verfügt, darunter hohe Härte, Korrosionsbeständigkeit und hervorragende elektrische Isolierung14. All diese Eigenschaften machen SiO2 und PTFE zu einem einzigartigen Material, das sich ideal für eine Vielzahl technischer Anwendungen eignet15. Darüber hinaus verbessert die Kombination von SiO2 mit Halbleiteroxidmaterialien wie ZnO16, TiO217, Fe2O318 und CuO19 die Selbstreinigungs-, Korrosionsschutz-, Antireflexions- und magnetischen Eigenschaften von Nanokompositmaterialien.

PTFE/SiO2-Komposit hat im Vergleich zu PTFE-Membranen eine superhydrophobe Oberfläche20. PTFE/SiO2-Nanofasern haben sich als zuverlässige Erfindung für hervorragende thermische und chemische Stabilität erwiesen21. Die Dotierung von PTFE mit SiO2 reduziert die Verformung der PTFE-Porosität und erhöht gleichzeitig die Zugfestigkeit und Haltbarkeit des Materials. Mit zunehmender SiO2-Menge im PTFE/SiO2-Verbund stiegen auch die mechanischen Eigenschaften22. Die tribologische Effizienz von PTFE/SiO2/Epoxid-Verbundwerkstoffen wurde ebenfalls untersucht23. Es wurde beobachtet, dass die Wirkung von Al2O3-Nanoplättchen auf die PTFE-Matrix die Wärmeleitfähigkeit und die thermische Stabilität erhöht und die mechanischen Eigenschaften mit deutlich verbesserten elektrischen Eigenschaften verbessert24. Darüber hinaus haben die elektrischen Eigenschaften der Hybridverbundwerkstoffe PANI/PTFE/GO25 und PTFE/CuO/G26 eine Verbesserung gezeigt, die bei der Herstellung elektrochemischer Instrumente eingesetzt werden kann. Der ZnO/SiO2/PTFE-Film über dem Glas verfügt über Anti-Eis-Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Isolationseigenschaften und fungiert somit als Anti-Eis-Oberfläche27. Darüber hinaus werden einige Derivate von PTFE, wie etwa Teflon FEP, als Wärmekontrollschichten für das Hubble-Weltraumteleskop (HST)28,29,30 verwendet. Teflon FEP leidet aufgrund der Weltraumumgebung in der erdnahen Umlaufbahn (LEO)31 unter Korrosion, wodurch die Komponenten im Weltraum Schäden und Korrosion ausgesetzt sind32,33.

Folglich war die Verbesserung von PTFE und seinen Derivaten ein wertvoller Studienpunkt für Raumfahrtanwendungen34,35.

Einige physikalische Parameter wie TDM, HOMO/LUMO-Bandlückenenergie (∆E) und MESP gelten als effiziente Prädiktoren für elektrische Eigenschaften sowie die Reaktivität der untersuchten Wechselwirkungen36,37,38,39,40. Darüber hinaus liefert QSAR wichtige Informationen zum molekularen Verhalten, indem es die chemischen, biologischen und physikalischen Aktivitäten von Molekülen bewertet, die in zahlreichen Anwendungen verwendet werden41,42,43,44. Durch die Untersuchung der Hydrophobie einer bestimmten Struktur und ihres Verhaltens gegenüber ihrer Umgebung werden DFT-Berechnungen unter Verwendung verschiedener physikalischer Parameter üblicherweise verwendet, um Superhydrophobie und außergewöhnliche Leistung in Bezug auf Korrosionsschutz, Vereisungsschutz und Selbstreinigung zu bestätigen45,46.

Basierend auf den beschriebenen Eigenschaften von PTFE und seinen Nanokompositen werden in der aktuellen Arbeit die physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Korrosionsschutz und Selbstreinigung von oberflächenmodifiziertem PTFE unter Verwendung von ZnO und SiO2 einzeln und in Kombination untersucht. DFT-Berechnungen wurden unter Verwendung des B3LYP/LANL2DZ-Modells durchgeführt, um Änderungen in TDM, ∆E und Mapping MESP zu verfolgen, die alle Änderungen in den elektronischen Eigenschaften darstellen. Mit QSAR-Deskriptoren verknüpfte elektronische Eigenschaftsinformationen wurden genutzt, um elektronische Eigenschaften sowie thermische, physikalische und chemische Stabilität für eine mögliche Verwendung als korrosionshemmende Schichten in Astronautenanzügen zu bewerten.

PTFE-Modellmoleküle, die mit zwei Nano-MOs, ZnO und SiO2, interagierten, wurden einzeln und als Gemisch mit der Software GAUSSIAN 09 (Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, USA)47 an der Molecular Spectroscopy and Modeling Unit des National Research Center berechnet (NRC), Ägypten. DFT:B3LYP/LANL2DZ wurde zur Optimierung der vorgeschlagenen Modelle48,49,50 verwendet. Elektronische Eigenschaften wurden untersucht, einschließlich TDM, ΔE und MESP. Darüber hinaus wurde die Software SCIGRESS 3.051 verwendet, um die chemische und thermische Stabilität aller Modellstrukturen zu untersuchen. QSAR-Parameter wurden für Modellstrukturen unter Verwendung von MO-G auf PM6-Theorieebene berechnet52.

Ein Modell von Molekülen, die mit MOs beschichtetes PTFE simulieren, um Hydrophobie, Korrosionsschutz und Selbstreinigungseigenschaften zu fördern53. MOs, einschließlich ZnO und SiO2, wurden aufgrund ihrer Korrosionsschutz- und Selbstreinigungseigenschaften als Beschichtungsschichten vorgeschlagen54,55. Folglich ist das Modell des kleinsten Satzes chemischer PTFE-Einheiten, die eine PTFE-Polymerkette darstellen, so konzipiert, dass es sowohl einzeln als auch in Kombination mit ZnO und SiO2 interagiert. Die Wechselwirkung von PTFE mit MOs erfolgt über das Sauerstoffatom des MO26,56. Weil PTFE über seine aktiven Seiten chemisch interagiert und es gemäß der chemischen Formel C2F4 vier gleiche aktive Seiten hat; Daher kann jedes Fluoratom (F-) mit anderen chemischen Strukturen interagieren. Wie in Abb. 1a,b gezeigt, bestand das Modell der kleinsten Einheit, die die beiden MOs (ZnO und SiO2) und die PTFE-Polymerkette darstellt, aus vier C2F4-Einheiten, die für die Wechselwirkung mit den vorgeschlagenen zwei MOs konzipiert waren. Zunächst wurde die PTFE-Kette so konzipiert, dass sie mit vier Einheiten ZnO und vier Einheiten SiO2 interagiert, die jeweils auf einer Seite beschichtet sind, wie in Abb. 1c bzw. d dargestellt. Danach ist die PTFE-Kette so konzipiert, dass sie Schicht für Schicht mit einer Kombination aus vier Einheiten ZnO und vier Einheiten SiO2 interagiert, wie in Abb. 1e dargestellt. Abbildung 1f zeigt die Modellstruktur der PTFE-Kette, während sie mit einer Kombination aus vier Einheiten SiO2 und vier Einheiten ZnO interagiert, die Schicht für Schicht auf ihrer Oberfläche bedeckt sind. Abbildung 1g zeigt die endgültige Modellstruktur für die PTFE-Kette im Zusammenspiel mit einer einzelnen gemischten Schicht aus vier ZnO- und vier SiO2-Einheiten. Die Erhöhung der Menge an Nanopartikeln auf der Polymeroberfläche hat erhebliche Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der Polymermatrix57. Anschließend soll die PTFE-Kette voraussichtlich von beiden Seiten beschichtet werden, wie zuvor mit vier Einheiten ZnO und vier Einheiten SiO2 einzeln und kombiniert, wie in Abb. 2 dargestellt. Anschließend wurden die elektrischen Eigenschaften von PTFE/MOs untersucht für die vorgeschlagenen Interaktionsmechanismen durch Untersuchung der berechneten TDM-, ΔE- und MESP-Karten.

Optimierte Struktur für PTFE- und PTFE-Wechselwirkung mit 4 ZnO, 4 SiO2 und einer Kombination zwischen den beiden MOs als (a) MOs (ZnO und SiO2), (b) PTFE, (c) PTFE/4ZnO, (d) PTFE/4SiO2, (e) PTFE/4ZnO/4SiO2, (f) PTFE/4SiO2/4ZnO und (g) PTFE/(4ZnO&4SiO2).

Optimierte Struktur für PTFE- und PTFE-Wechselwirkung mit 8 ZnO, 8 SiO2 und einer Kombination zwischen den beiden MOs als (a) PTFE/8ZnO, (b) PTFE/8SiO2, (c) PTFE/8ZnO/8 SiO2, (d) PTFE/ 8 SiO2/8ZnO und (e) PTFE/(8ZnO&8 SiO2).

Abbildung 3 zeigt die HOMO/LUMO-Orbitalverteilung von PTFE und seine Wechselwirkungen mit 4ZnO, 4SiO2 und ihren Hybriden. Die HOMO/LUMO-Orbitalverteilung der vier PTFE-Ketten ist in Abb. 3a über die Kette verteilt dargestellt. Wenn PTFE auf einer Seite mit ZnO und SiO2 wechselwirkte, wurden die HOMO/LUMO-Orbitale wie in Abb. 3b – f für alle Wechselwirkungsfälle neu angeordnet und um die MO-Atome herum lokalisiert. Die HOMO/LUMO-Orbitalverteilung spiegelt die Auswirkung von MO auf die Orbitalverteilung wider, die wiederum Änderungen der Bandlückenenergie widerspiegelt. TDM und ΔE wurden auch für die verschiedenen Interaktionsformen bestimmt. TDM verbesserte sich von 0,000 für reines PTFE auf 16,235, 1,849, 13,008, 17,432 und 11,583 Debye für PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO bzw. PTFE/(4ZnO&4SiO2), wie in aufgeführt Tabelle 1. Außerdem wurde das berechnete ΔE von 8,517 eV für reines PTFE auf 1,535, 4,302, 0,690, 1,345 und 0,958 eV für PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO und reduziert PTFE/(4ZnO bzw. 4SiO2). Der niedrigste ΔE wurde für die PTFE/4ZnO/4SiO2-Struktur aufgezeichnet, was ein Hinweis auf die wahrscheinlichste und stabilste Struktur der Wechselwirkung ist, die für PTFE mit den vorgeschlagenen MOs auftreten könnte. Es ist bekannt, dass die Zunahme der Reaktivität chemischer Systeme mit ihrem höheren berechneten TDM und niedrigeren berechneten ∆E58 korreliert.

DFT:B3LYP/LANL2DZ berechnete HOMO/LUMO-Orbitalverteilung von PTFE und PTFE-Wechselwirkung mit 4ZnO, 4 SiO2 und einer Kombination zwischen den beiden MOs als (a) PTFE, (b) PTFE/4ZnO, (c) PTFE/4SiO2, (d ) PTFE/4ZnO/4SiO2, (e) PTFE/4SiO2/4ZnO und (f) PTFE/(4ZnO&4SiO2).

Abbildung 4 zeigt die berechnete HOMO/LUMO-Orbitalverteilung der PTFE-Wechselwirkung mit 8 ZnO, 8 SiO2 und einer Kombination der beiden MOs. In diesen Fällen von Wechselwirkungen, wie gezeigt durch HOMO/LUMO-Orbitale, die nur auf einer Seite neu angeordnet und um das MO lokalisiert sind, oben und/oder unten in der PTFE-Kette (oben in Abb. 4a, b, d, e, aber unten). im Fall 4c). Der TDM und ΔE wurden für alle untersuchten Strukturen bestimmt und sind in Tabelle 2 aufgeführt. Wie in der Tabelle gezeigt, verbesserte sich der TDM von 0,000 entsprechend reinem PTFE auf 32,934, 0,867, 7,844, 10,605 und 6,963 Debye für PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO bzw. PTFE/(8ZnO&8SiO2). Während beobachtet wurde, dass ΔE von 8,517 eV für reines PTFE auf 0,163, 3,253, 0,273, 0,860 und 0,368 eV für PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO und PTFE/(8ZnO&8SiO2) abnimmt ), jeweils. Der höchste TDM-Wert und der niedrigste ΔE-Wert wurden für PTFE/8ZnO und PTFE/8ZnO/8SiO2 angegeben, als Hinweis auf die Wechselwirkungen, die die elektrischen Eigenschaften des PTFE am meisten verbesserten. Aus allen Ergebnissen geht hervor, dass die am stärksten verbesserte PTFE-Struktur, die mit den MOs der 4 Einheiten interagierte, die von PTFE/4ZnO/4SiO2 war. Durch die Erhöhung der Nanopartikel auf 8 Einheiten wurde die Struktur für PTFE/8ZnO und PTFE/8ZnO/8SiO2 am stärksten verbessert. Dies bedeutet, dass sich das elektronische Verhalten des PTFE-Polymers mit zunehmender Anzahl an MO-Einheiten verändert.

DFT:B3LYP/LANL2DZ berechnete die HOMO/LUMO-Orbitalverteilung der PTFE-Wechselwirkung mit 8ZnO, 8SiO2 und einer Kombination zwischen den beiden MOs als (a) PTFE/8ZnO, (b) PTFE/8SiO2, (c) PTFE/8ZnO/8SiO2, ( d) PTFE/8SiO2/8ZnO und (e) PTFE/(8ZnO&8 SiO2).

Da TDM und ΔE für die Wechselwirkung von PTFE mit MOs durch eine Erhöhung der Anzahl der MOs-Einheiten erhöht werden, kann man im Allgemeinen sagen, dass sich die elektrischen Eigenschaften der vorgeschlagenen Modellstruktur mit zunehmender Menge an Nanopartikeln verbessern.

Die MESP-Karte zeigt die Verteilungen der nahegelegenen Ladungen, des Kerns und der Elektronendichte an einer bestimmten Position, dargestellt mit Farbvariationen wie Rot > Orange > Gelb > Grün > Blau. Der auf der MESP-Oberfläche als Rot dargestellte Farbunterschied bezieht sich auf den reichsten Ladungsbereich, der als Blau dargestellte Farbunterschied bezieht sich auf den ärmsten Ladungsbereich und der als Grün beschriebene Farbunterschied stellt ein elektrostatisches Nullpotential dar. Das stärkste Potenzial findet sich üblicherweise in roten Regionen, während das schwächste Potenzial in blauen Regionen zu finden ist59. Die MESP-Kartierung wurde für alle untersuchten Strukturen auf dem gleichen Theorieniveau berechnet. Abbildung 5 zeigt den MESP für PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO, PTFE/(4ZnO&4SiO2), PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/ 8ZnO und PTFE/(8ZnO&8SiO2), die eine Karte für den Interaktionsstatus der Nukleophilie anzeigten.

DFT:B3LYP/LANL2DZ berechnete MESP für PTFE und PTFE-Wechselwirkung mit ZnO, SiO2 und einer Kombination zwischen den beiden MOs als (a) PTFE, ZnO und SiO2, (b) PTFE/4ZnO, (c) PTFE/4SiO2, (d) PTFE/4ZnO/4SiO2, (e) PTFE/4SiO2/4ZnO, (f) PTFE/(4ZnO&4 SiO2), (g) PTFE/8ZnO, (h) PTFE/8SiO2, (i) PTFE/8ZnO/8 SiO2, ( j) PTFE/8 SiO2/8ZnO und (k) PTFE/(8ZnO&8 SiO2).

Abbildung 5a zeigt die MESP-Karte für alle berücksichtigten PTFE-, ZnO- und SiO2-Wechselwirkungen, gefärbt mit Zwischenfarben zwischen Orange und Gelb, mit einer Ebene für die PTFE-Kette und einer Senkrechten im Fall von MOs, was eine geringere elektrostatische Abstoßung darstellt. Die MESP-Ergebnisse zeigten, dass diese Strukturen außergewöhnlich stabil waren, wobei die MESP-Oberfläche gelb erschien und immer noch keine Möglichkeit bestand, andere zu stören, und ein stärkeres chemisches Gleichgewicht darstellte. Abbildung 5b–k zeigt die Wechselwirkung von PTFE mit MOs. Die rote Farbe breitete sich an den oberen und unteren Enden des Polymers aus, was darauf hindeutet, dass die Reaktivität von PTFE zunahm und MOs die aktiven Seiten von PTFE verstärkten. Wenn PTFE mit 4SiO2, 4ZnO/4SiO2, 4SiO2/4ZnO, (4ZnO&4SiO2), 8SiO2, 8ZnO/8SiO2, 8SiO2/8ZnO und (8ZnO&8SiO2) interagierte, wurden rote Bereiche mit niedrigem Potential hauptsächlich um das Sauerstoffatom von MO lokalisiert. Bei der Wechselwirkung von PTFE mit 4ZnO und 8ZnO hingegen verteilten sich die roten Bereiche über das Polymer und nahmen auf der anderen Seite zu. Diese Ergebnisse von MESP stimmen gut mit den Ergebnissen von TDM und ΔE überein. Dadurch verbesserten sich die elektrischen Eigenschaften von PTFE und es kann nun in vielfältigen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, beispielsweise als korrosionshemmende Schicht für Astronautenanzüge.

Tabelle 3 definiert QSAR-Deskriptoren, die versuchen, PTFE-Beziehungen mit MOs zu beschreiben, als PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO, PTFE/(4ZnO&4SiO2), PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO /8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO und PTFE/(8ZnO&8SiO2). Deskriptoren werden zusammengefasst als Gesamtenergie (TE) als Kcal/mol, Wärmebildung (HF) als Kcal/mol, Ionisationspotential (IP) als eV, log P, Polarisierbarkeit als A3, molare Brechung (MR) und Molekulargewicht (MR). als au. Erstens soll TE die Stabilität des Systems beschreiben und dass eine Verringerung der TE-Werte die Struktur in Richtung Stabilität führt60. TE für PTFE betrug − 17.005,449 kcal/mol. Im Falle einer Wechselwirkung von PTFE mit 4 MO-Einheiten änderte sich der TE für PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO und PTFE/(4ZnO&4SiO2) auf − 18.409,137, − 20.012,627, − 10.891,274, − 931,899 bzw. − 932,368 kcal/mol. Während der TE für PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO und PTFE/(8ZnO&8SiO2) auf − 11.544,339, − 23.034,521, − 25.976,165, − 2414,112 und − 25.973,368 k geändert wurde cal/mol jeweils. Aus der berechneten TE erwies sich PTFE/8ZnO/8SiO2 als die stabilste und wahrscheinlichste Struktur. Außerdem ist HF ein wichtiger thermischer Deskriptor, der die in Form von Wärme erzeugte Energie definiert, da die Atome, die in potenziell unendlichen Abständen existieren, miteinander verbunden sind und ein Molekül bilden61, auch wenn HF durch den dabei beobachteten Enthalpieunterschied erklärt werden kann die Bildung eines einzelnen Mols einer Substanz aus ihren Bestandteilen. Dies geschieht in seinem natürlichen und vollständigen Gleichgewicht unter den atmosphärischen Eigenschaften einer bestimmten Temperatur. Für PTFE betrug HF – 1570,772 kcal/mol. Im Fall der PTFE-Wechselwirkung mit MOs wurde der berechnete HF für PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO und PTFE/(4ZnO&4SiO2) auf − 1826,101, − 1963,831, − 2457,839 geändert , − 2598,762 und − 2266,677 kcal/mol. Im Fall von PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO und PTFE/(8ZnO&8SiO2) änderte sich HF auf − 1871,705, − 2597,869, − 3128,116, − 2372,734 und − jeweils 3300,601 kcal/mol. Dementsprechend war die wahrscheinlichste zu bildende Struktur, für deren Bildung ein niedriger Energiewert erforderlich war, PTFE/8ZnO/8SiO2 und PTFE/(8ZnO&8SiO2).

Ein weiterer wichtiger Deskriptor ist IP, der als die Energie definiert ist, die für die Ionisierung des Materials erforderlich ist. Das von Dewar und Morita beschriebene IP wird mit der folgenden Gleichung beschrieben: IP = a + bq + cq, wobei a, b der Variationsparameter ist, der als a2 + b2 = 1, die Ladung eines Atoms in einem Molekül (q) und die Elektronendichte definiert ist eines Atoms in einem Molekül (C)62,63. IP wurde für alle PTFE-Wechselwirkungsmodelle berechnet. Die Bedeutung des IP-Werts besteht darin, dass er die Reaktivität der untersuchten Strukturen widerspiegelt. Der IP-Wert ist umgekehrt proportional zur Reaktivität der Verbindung, was bedeutet, dass die Reaktivität einer bestimmten chemischen Verbindung zunimmt, wenn der IP-Wert sinkt64. Der für PTFE aufgezeichnete IP-Wert betrug −12,980 eV. Wenn PTFE mit 4 MOs interagierte, änderte sich der IP auf − 9,417, − 9,446, − 8,953, − 8,746 und − 10,573 eV für PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO und PTFE/( 4ZnO&4SiO2). Im Fall von PTFE, das mit 8 MOs interagierte, änderte sich IP auf − 9,737, − 11,648, − 8,733, − 8,420 und − 10,392 eV für PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO und PTFE/(8ZnO bzw. 8SiO2). Den erhaltenen Daten zufolge gab es keine signifikante Änderung des IP-Werts. Die PTFE/8ZnO/8SiO2-Struktur hatte die geringste Reaktivität mit der Umgebung und die thermisch am stärksten verstärkte Struktur. Die chemische Struktur wurde durch den Logarithmus des Verteilungskoeffizienten (log P) beschrieben. Dementsprechend ist der log p-Wert für eine Verbindung der Logarithmus (Basis 10) des Verteilungskoeffizienten (p), der als Verhältnis der Konzentration der organischen zur wässrigen Phase der Verbindung gemäß Gleichung65 definiert ist

Es berechnet die Löslichkeit des Stoffes auch in einer organischen Lösung oder in wässrigen Lösungsmitteln. Positive log P-Werte definieren die hydrophoben Strukturen, während negative Werte hydrophile Strukturen anzeigen66. Alle vorgeschlagenen Modelle verzeichneten einen positiven log P, was ein Hinweis darauf ist, dass die Strukturen hydrophob sind und die Umgebung nicht beeinträchtigt haben. Der niedrigste Wert von log P spiegelt eine stärkere Polarität und eine Zunahme der Hydrophobie der Verbindung wider, was die Fähigkeit bestätigt, als selbstreinigendes Material zu wirken. Selbstreinigende Oberflächen haben großes Interesse an industriellen Anwendungen geweckt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Selbstreinigende superhydrophobe Beschichtungen wie Silikone, Fluorkohlenwasserstoffe, organische Materialien und anorganische Materialien reagieren empfindlich auf die Ansammlung von Eis, Wasser und anderen Verunreinigungen und verfügen außerdem über eine harte, verschleißfeste und phobische Beschichtung aerodynamische Oberfläche zur Verbesserung der Enteisungseigenschaften durch Niederdruck-Plasma-Aufdampftechnologien. Die Verbesserung der Hydrophobie des untersuchten Materials macht es zu einem vielversprechenden Material für die Verwendung als selbstreinigende Oberfläche, was eine wichtige Anwendung im Luft- und Raumfahrtbereich darstellt67,68. Die niedrigsten log P-Werte wurden für PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO und PTFE/(8ZnO&8SiO2) aufgezeichnet. Folglich ist die Polarisierbarkeit eine grundlegende Eigenschaft, die bestimmt, wie die chemische Formel als Reaktion auf unterschiedliche Kräfte polarisiert werden kann. Der molare Refraktor stellt die Reaktionsfähigkeit der Strukturfaktoren dar, die das Volumen beeinflussen, und ist ein Deskriptor, der die Gesamtpolarisation des Mols angeben kann69. Je größer der molare Refraktor, desto größer die Stabilität der Strukturen, die für PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO und PTFE/(8ZnO&8SiO2) aufgezeichnet wurden.

Zusammenfassend lassen die erhaltenen Ergebnisse hinsichtlich der am meisten erwarteten Wechselwirkung zwischen PTFE und MOs auf eine schichtweise Beschichtung von ZnO mit SiO2 auf PTFE, insbesondere PTFE/8ZnO/8SiO2, schließen. PTFE/8ZnO/8SiO2 ist aufgrund seiner physikalischen, chemischen und thermischen Stabilität die wahrscheinlichste Art der Wechselwirkung. Diese Verbesserungen dienen aufgrund ihrer geringeren Reaktion mit der Umgebung sowie ihrer höheren Polarität und hydrophoben Natur als korrosionshemmende und selbstreinigende Schicht für Astronautenanzüge.

DFT-Berechnungen von PTFE-Ketten, die mit 4 und 8 Einheiten Nano-MOs, einschließlich ZnO, SiO2, einzeln und als Hybrid modifiziert wurden, wurden einer verbesserten chemischen, physikalischen und thermischen Stabilität unterzogen. B3LYPL/LANL2DZ wurde verwendet, um TDM, ΔE und MESP für PTFE-Polymer und seine Wechselwirkung mit vorgeschlagenen MO-Modellstrukturen zu bewerten. Für die untersuchten Strukturen wurden QSAR-Deskriptoren unter Verwendung von MO-G auf der PM6-Theorieebene berechnet, um elektronische Eigenschaften sowie thermische, physikalische und chemische Stabilität zu untersuchen. Die TDM- und ΔE-Ergebnisse für die Wechselwirkung von PTFE mit MOs zeigten, dass die elektronischen Eigenschaften von PTFE durch eine Erhöhung der Anzahl der MOs-Einheiten verbessert wurden. Darüber hinaus wird durch die schichtweise Einführung der beiden MOs die PTFE-Polymerkette verbessert und stabil gehalten. Berechnungen der elektronischen Eigenschaften zeigten, dass die PTFE/4ZnO/4SiO2-Struktur die am stärksten verbesserte PTFE-Struktur war, die mit 4 MO-Einheiten interagierte. Für die Wechselwirkung von PTFE mit 8 MO-Einheiten lieferte PTFE/8ZnO/8SiO2 Schicht für Schicht die besten Ergebnisse hinsichtlich der elektronischen Eigenschaften. Die MESP-Karten bestätigten auch, dass die untersuchte Struktur PTFE/8ZnO/8SiO2 eine Verstärkung und Umverteilung der Ladung auf der Polymeroberfläche zeigt. Die Ergebnisse von MESP stimmen gut mit den Ergebnissen von TDM und ΔE überein. Darüber hinaus zeigten QSAR-Daten, dass die schichtweise Beschichtung von PTFE als PTFE/8ZnO/8SiO2 die elektronische und thermische Stabilität sowie die Hydrophobieeigenschaften verbesserte. Wenn man die Ergebnisse in Beziehung setzt, kann man schlussfolgern, dass das schichtweise mit ZnO und SiO2 modifizierte PTFE innovative Eigenschaften wie thermische, chemische und physikalische Stabilität bei geringer Empfindlichkeit gegenüber umgebenden Materialien aufweist, die als Korrosionsschutz und Selbstreinigungsmittel eingesetzt werden könnten Schicht für Astronautenanzüge.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Ahmed Refaat & Medhat A. Ibrahim

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Dr. MAH schrieb das Ergebnis und die Diskussion, Dr. RG schrieb die Einleitung des Manuskripts, Dr. HAE berechnete die Modellstrukturen, reichte das Papier zur Veröffentlichung ein, Prof. ISY und Prof. HYZ, überarbeitete das Manuskript, Prof. HE trug dazu bei Ergebnis und Diskussion verfassen, Dr. AR überarbeitet das Papier und nimmt am Diskussionsteil teil, und Prof. MAI weist das Problem zu, kontrolliert das gesamte Manuskript und überarbeitet es dann.

Korrespondenz mit Hend A. Ezzat oder Medhat A. Ibrahim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 26. Juni 2022

Angenommen: 30. August 2022

Veröffentlicht: 15. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19490-0

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