Як вийти сухим з води
Фізики університету Рочестера створили матеріал, який неможливо намочити, а краплі води від нього просто відскакують.
Лотос вважається символом чистоти: виростаючи в брудній болотяній воді, на світ з'являються приголомшливо красиві і найчистіші квіти. Здавалося б, що може бути спільного між символом чистоти і фізикою? Виявляється, загальне є, і називається це науковим терміном - гідрофобні властивості поверхні. Якщо поверхня гідрофільна, то по ній вода може спокійно розтікатися і утворювати рівномірну плівку (приклад такої поверхні - скло). Але якщо пролити кілька крапель води на тефлонову сковорідку, вони не будуть прилипати до поверхні, а якщо її нахилити на певний кут, то краплі почнуть скочуватися - це приклад гидрофобной поверхні.
Листя лотоса - це природна супергідрофобная поверхню, вона не намокає у воді, а краплі скочуються з неї, несучи з собою частинки пилу і бруду, очищаючи рослини. Фото: Josep M./Flickr
Краплі води відскакують від матеріалу з створеної лазером микроструктурой. Фото: J. Adam Fenster / University of Rochester
А є ще така властивість, як супергідрофобность. На таких поверхнях краплі води зовсім не можуть закріпитися, і починають скочуватися з неї при зовсім невеликих кутах нахилу. Наприклад, краплі роси на траві мають сферичну форму, поверхню як би відштовхує воду, не даючи їй себе намочити. Листя лотоса - це найкрасивіший приклад супергідрофобной поверхні, створеної природою. Секрет криється в мікростроенія листя, вони не тільки відштовхують воду, але і сприяє самоочищенню рослини. Краплі води, скочуючись з поверхні листа, забирають з собою частинки пилу і бруду, залишаючи квітка ідеально чистим. До речі, таким же властивістю володіють крила метеликів та інших комах, інакше вони просто не змогли б літати під вагою налиплого пилу.
Людина навчилася робити штучні гідрофобні поверхні, які ніяк не змочуються водою. Але два фізика з університету Рочестера, Анатолій Воробйов і Чан-Лі Гуо, пішли далі, і змогли виготовити матеріал, від якого краплі води відскакують, як тенісний м'ячик від стіни. Точніше буде сказати, що вони придумали метод, за допомогою якого таке унікальне властивість можна надати різних матеріалів. Як же це їм вдалося?
Для обробки поверхні дослідникам знадобився потужний сапфіровий лазер, що генерує короткі, Фемтосекундний імпульси. Сфокусувавши лазерний промінь на поверхні металу, на його поверхню завдали паралельні канавки шириною близько 100 мкм і глибиною 75мкм. Такий розмір можна порівняти з товщиною людської волосини. На вийшла ребристої поверхні, що чимось нагадує грядку з окученной картоплею, утворилися ще більш дрібні наноструктури, які зробили канавки і борозни «шорсткими». На те, щоб обробити лазером пластину з металу розміром 2.5 х 2.5 см, експериментаторам знадобилося близько години.
В результаті вийшов дивовижний матеріал. Для своїх дослідів фізики взяли три металеві пластини, виготовлені з платини, титану і латуні. Після обробки блискуча металева поверхня стала абсолютно чорної - вона перестала відбивати світло. Але найбільш вражаюче відкриття було зроблено, коли на таку модифіковану лазером пластину капнули водою - впала крапля просто відскочила від неї. Поверхня вийшла настільки водовідштовхувальним, що потрапила на неї крапля, змогла зберегти до третини своєї кінетичної енергії і відскочити назад. Природно, що сама металева пластинка залишилася абсолютно сухою. Щоб перевірити самоочищаються властивості створеного матеріалу, дослідники нанесли на нього шар пилу, взятої зі звичайного пилососа. Після цього на поверхню стали капати звичайну воду - кожна крапля, «приклеювала» на себе фрагменти пилу, несучи їх з собою. А сам матеріал залишився в первозданній чистоті, нічим не гірше, ніж прекрасна квітка лотоса.
Стрибають по площині краплі - це, звичайно, красиво і цікаво, але чим може бути корисний такий матеріал? Квітка лотоса виявився не тільки символом чистоти, але і допоміг людям науки придумати, як зробити наш світ трохи краще. В першу чергу самоочищаються поверхні допоможуть економити воду. Це дуже важливо там, де кожен літр води на рахунку. Крім того, такі матеріали можуть володіти антіобледенітельних властивостями - утворення льоду на елементах керування літаком загрожує дуже сумними наслідками. Супергідрофобние поверхні будуть більш стійкі до утворення цвілі і інших мікроорганізмів. Те властивість, що поверхня металу стає абсолютно чорної, може бути корисно для ефективного поглинання сонячної енергії.