Непотопляемый металл позаимствовал свойства у пауков и муравьёв
Исследователи из США и Китая выяснили, как сделать металл супергидрофобным и плавучим. За помощью пришлось обратиться к паукам и муравьям.
Супергидрофобные материалы, которые превосходно отталкивают воду, могут иметь массу применений – очевидных и не очень. К примеру, они способны предотвратить образование льда на различных поверхностях, сделать электронику водонепроницаемой, а корабли – непотопляемыми. А ещё такой материал может помешать не очень сознательным гражданам справлять малую нужду в общественных местах.
Поясним, что супергидрофобные материалы демонстрируют водоотталкивающие свойства, так как имеют сложную поверхность, которая удерживает воздух. Воздух в "щелях" такой поверхности мешает воде связаться с ней, поэтому капли отскакивают или скатываются.
Кроме того, всем известно, что воздух делает предметы плавучими. Инженеры из США и Китая решили воспользоваться этим, чтобы наделить плавучестью металл.
На первом этапе исследователи использовали сверхкороткие импульсы лазера (фемтосекундные вспышки), чтобы вытравить на алюминиевой поверхности микро- и наноразмерные структуры, которые захватывают воздух и делают металл одновременно супергидрофобным и плавучим.
Две одинаковых конструкции. Та, что слева, выполнена из необработанного металла, та, что справа, – из того, что имел нужный "рисунок".
Фото J. Adam Fenster/University of Rochester.
Однако в ходе испытаний выяснилось, что после длительных погружений в воду даже такая "правильная" поверхность теряет приобретённые свойства.
Креативное решение этой проблемы подсказали пауки и муравьи, способные долгое время держаться на поверхности воды и под ней.
Например, водяные пауки создают из паутины куполообразное гнездо, так называемый водолазный колокол, и наполняют его воздухом, который переносят с поверхности на кончике брюшка.
А огненные муравьи формируют плоты из собственных тел (к примеру, во время наводнений). При этом пузырьки воздуха, окружающие супергидрофобные тела муравьев, позволяют остаться в живых даже тем особям, которые формируют самый нижний слой плота.
Изучив таких членистоногих и насекомых, авторы работы поняли, что супергидрофобные поверхности могут захватывать большой объём воздуха, и это свойство должно стать ключевым для плавучих металлических предметов.
Поэтому на следующем этапе учёные создали конструкцию из двух алюминиевых пластин. Их обработанные по описанной выше методике поверхности были обращены внутрь, а не наружу. Таким образом, они были защищены от износа и истирания.
При этом инженеры рассчитали расстояние, которое должно разделять эти поверхности, чтобы те могли захватить и удержать столько воздуха, чтобы конструкция оставалась плавучей.
По сути, у учёных получилась металлическая конструкция с внутренним отсеком, который не допускал в себя воду.
Инженеры поместили на неё груз и отправили в воду на два месяца. И даже по истечении этого срока изделие осталось непотопляемым: как только учёные сняли груз, конструкция тут же всплыла на поверхность.
Примечательно, что такие изделия держались на плаву даже с повреждениями в виде нескольких отверстий, которые исследователи просверлили заранее. По-видимому, захваченного воздуха оставалось достаточно, чтобы конструкция не утонула.
Отверстия не лишили металл непотопляемости.
Фото J. Adam Fenster/University of Rochester.
Специалисты уточняют: их выбор в данном исследовании пал на алюминий, однако описанный технологический процесс можно использовать для любых металлов или других материалов.
Кроме того, в ходе работе был достигнут значительный прогресс с точки зрения скорости обработки поверхностей. Когда команда впервые продемонстрировала технику травления, инженерам потребовался час, чтобы нанести нужный "рисунок" на поверхность размером 2,5 на 2,5 сантиметра. Но в дальнейшем, благодаря использованию в семь раз более мощных лазеров и ускоренного сканирования, инженеры ускорили этот процесс.
Теперь технологию можно масштабировать и искать для неё коммерческие применения.
Научная статья с более подробным описанием этой работы представлена в журнале ACS Applied Materials and Interfaces.
Кстати, ранее та же команда учёных создала металл, который не только отталкивает воду, но и самоочищается и поглощает свет.
Также "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о новом водоотталкивающем покрытии для ткани, "скафандрах" мух-аквалангистов и наноструктурах, которые остаются сухими, месяцами находясь под водой.