Naukowcy z MIT (Massachusetts Institute of Technology) opracowali nową, superhydrofobową powierzchnię, która zmodyfikowana jest w sposób minimalizujący czas kontaktu z wodą. Najbardziej sucha powłoka jaka kiedykolwiek została stworzona przez człowieka (tak ją nazywają) czerpie pełnymi garściami ze świata fauny i flory.
Zespół naukowców prowadzony przez profesora Kripa Varanasi od lat pracuje nad oryginalnymi materiałami. Jedno z ich dzieł – super śliska powłoka LiquiGlide było prezentowane kilka miesięcy temu na naszych łamach. Teraz badacze skupili się na powierzchniach inspirowanych liśćmi nasturcji i skrzydłami motyla Morpho. Są zdania, że wytworzona przez nich warstwa wierzchnia jest bardziej skuteczna w odpychaniu wody od liści lotosu, które do tej pory uważano za najbardziej efektywne, naturalne, hydrofobowe powierzchnie.
Kiedy kropla wody uderza w wodoodporną powierzchnię, np. taką jak liść lotosu to ulega spłaszczeniu. Wygląda wtedy jak “naleśnik”. Po odbiciu kropla wraca w całości do poprzedniej, sferycznej postaci. Konwencjonalny sposób zwiększenia hydrofobowości polega na zmniejszeniu powierzchni kontaktu pomiędzy wodą a materiałem. Sekretem jest wysoki kąt zwilżania, który ustala się na granicy styku. Kąt zwilżania powierzchni szkła przez wodę wynosi 0. Teoretycznie ciecz powinna tworzyć kulistą kroplę na powierzchni ciała stałego, gdy kąt zwilżania wynosi 180 stopni. W rzeczywistości tak nie jest, a słabe oddziaływania adhezyjne pomiędzy cieczą a fazą stałą powodują, że kąt zwilżania przyjmuje wartości mniejsze od 180 stopni. Naukowcy z Bostonu skoncentrowali się na zupełnie czymś innym – zminimalizowali czas kontaktu między cieczą a powierzchnią.
Inżynierowie z MIT zaprojektowali makroskopowe struktury, które zwiększają powierzchnię kontaktu, ale równocześnie sprawiają, że krople odbijają się szybciej. Dzieje się tak, ponieważ duże krople rozbijane są na mniejsze, asymetryczne części przez wierzchnie wypukłości. Powierzchnia z fluorosilanu (H3FSi) została pokryta drobnymi prążkami o wysokości około 100 mikrometrów. Wymiar ten jest nieco mniejszy niż grubość spłaszczonej kropli. Kiedy uderza ona o powierzchnię, najcieńsze miejsce znajduje się nad wypukłością. W tym obszarze masa wody jest najniższa, więc odbicie zachodzi najszybciej. “Naleśnik” rozdzielany jest na mniejsze fragmenty, których czas kontaktu z powłoką jest znacząco krótszy. Zbadana różnica okresu kontaktu z wodą między typowym materiałem hydrofobowym, a powłoką z wypukłościami wynosi około 37%. Badacze sugerują, że nałożenie odpowiednio wypukłych wzorów na powierzchnie metali, bądź materiałów ceramicznych pozwoli wyprodukować trwałe powłoki odporne na ścieranie i wysokie temperatury. Adaptacja dodatkowych funkcji hydroizolacyjnych do tego typu materiałów, ma nie stanowić trudności, gdyż formy mogą być wytwarzane przez zwykłe narzędzia do frezowania.
Teksturowana powierzchnia niesie ze sobą mnóstwo potencjalnych zastosowań. Życzeniem naukowców jest zaimplementowanie jej na pokryciach samolotów, turbinach wiatrowych oraz liniach energetycznych. Może ona zapobiec gromadzeniu się lodu na skrzydłach samolotu, pozwolić na pracę w niższych temperaturach, a także zwiększyć wydajność elektrowni wiatrowych. Inżynierowie chcą również przenieść projekt na tkaniny i stworzyć wodoodporną odzież sportową, fartuchy laboratoryjne, mundury wojskowe i namioty. Obecnie zespół pracuje nad optymalizacją koncepcji. Naukowcy mają nadzieję, że uda im się skrócić czas kontaktu wody z powierzchnią nawet o 80%.
Źródło:
[1] Reducing the contact time of a bouncing drop. James C. Bird, Rajeev Dhiman, Hyuk-Min Kwon & Kripa K. Varanasi. Nature 503, 385–388 (21 November 2013) doi:10.1038/nature12740 [10.12.2013]
[2] http://www.nature.com/nature/journal/v503/n7476/full/nature12740.html [10.12.2013]
[3] http://www.nature.com/nature/journal/v503/n7476/extref/nature12740-s1.pdf [10.12.2013]
[4] http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-25004942 [10.12.2013]
[5] http://web.mit.edu/newsoffice/2013/droplets-break-a-theoretical-time-barrier-on-bouncing-1120.html [10.12.2013]
[6] Droplets by CrunchyLens, flickr.com, CC BY-SA 2.0