Super hydrofobowy materiał 30.01.2015

Lotos jest uważany za symbol czystości: rosnąc w brudnej wodzie bagiennej rodzą się oszałamiająco piękne i najczystsze kwiaty. Wydawałoby się, że co może być wspólnego między symbolem czystości a fizyką? Okazuje się, że istnieje wspólna rzecz i nazywa się to naukowym terminem - hydrofobowe właściwości powierzchni. Jeśli powierzchnia jest hydrofilowa, to woda może się po niej łatwo rozprowadzić i utworzyć jednolity film (przykładem takiej powierzchni jest szkło). Ale jeśli wylejesz kilka kropel wody na patelnię teflonową, nie przykleją się one do powierzchni, a jeśli przechylisz ją pod pewnym kątem, krople zaczną się toczyć - to przykład hydrofobowej powierzchni.

Liście lotosu są naturalną powierzchnią superhydrofobową, nie zamaczają w wodzie, ale spływają z niej krople, zabierając ze sobą cząsteczki kurzu i brudu, czyszcząc rośliny. Liście lotosu są naturalną powierzchnią superhydrofobową, nie zamaczają w wodzie, ale spływają z niej krople, zabierając ze sobą cząsteczki kurzu i brudu, czyszcząc rośliny.

I jest też taka właściwość, jak superhydrofobowość. Na takich powierzchniach krople wody w ogóle nie mogą się utrwalić i zaczynają spływać pod bardzo małymi kątami nachylenia. Na przykład krople rosy na trawie mają kulisty kształt, powierzchnia wydaje się odpychać wodę, zapobiegając jej zamoczeniu. Liście lotosu są najpiękniejszym przykładem superhydrofobowej powierzchni natury. Sekret tkwi w mikrostrukturze liści, nie tylko odpychają wodę, ale także przyczyniają się do samooczyszczania rośliny. Krople wody, spływając z powierzchni liścia, unoszą cząsteczki kurzu i brudu, pozostawiając kwiatek idealnie czysty. Nawiasem mówiąc, skrzydła motyli i innych owadów mają tę samą właściwość, w przeciwnym razie po prostu nie byłyby w stanie latać pod ciężarem przylegającego kurzu.

Człowiek nauczył się tworzyć sztuczne hydrofobowe powierzchnie, które w żaden sposób nie są zwilżane wodą. Ale dwaj fizycy z University of Rochester, Anatolij Vorobyov i Chan-Li Guo, poszli dalej i byli w stanie stworzyć materiał, od którego krople wody odbijają się jak piłka tenisowa od ściany. Bardziej trafne byłoby stwierdzenie, że wymyślili metodę, dzięki której tak unikalną właściwość można nadać różnym materiałom. Jak to zrobili?

Do obróbki powierzchni naukowcy potrzebowali potężnego lasera szafirowego, który generował krótkie, femtosekundowe impulsy. Po skupieniu wiązki laserowej na powierzchni metalu nałożono na jego powierzchnię równoległe rowki o szerokości około 100 µm i głębokości 75 µm. Ten rozmiar jest porównywalny z grubością ludzkiego włosa. Na powstałej żebrowanej powierzchni, przypominającej nieco grządkę z fałdowanymi ziemniakami, utworzyły się jeszcze mniejsze nanostruktury, które sprawiały, że bruzdy i bruzdy były „szorstkie”. Eksperymentatorom zajęło około godziny obróbka metalowej płytki o wymiarach 2,5 x 2,5 cm za pomocą lasera.

Rezultatem jest niesamowity materiał. Do swoich eksperymentów fizycy wzięli trzy metalowe płytki wykonane z platyny, tytanu i mosiądzu. Po obróbce błyszcząca metalowa powierzchnia stała się całkowicie czarna – przestała odbijać światło. Ale najbardziej imponującego odkrycia dokonano, gdy na tak zmodyfikowaną laserowo płytkę zrzucono wodę - spadająca kropla po prostu od niej odbiła. Powierzchnia okazała się tak hydrofobowa, że ​​kropla, która na nią spadła, była w stanie zaoszczędzić do jednej trzeciej jej energii kinetycznej i odbić się z powrotem. Naturalnie sama metalowa płyta pozostała całkowicie sucha. Aby przetestować właściwości samoczyszczące powstałego materiału, naukowcy nałożyli na niego warstwę kurzu pobranego z konwencjonalnego odkurzacza. Potem zwykła woda zaczęła kapać na powierzchnię - każda kropla "sklejała" na sobie fragmenty kurzu, zabierając je ze sobą. A sam materiał pozostał w swojej pierwotnej czystości, nie gorszej niż piękny kwiat lotosu.

Krople skaczące w samolocie są oczywiście piękne i ciekawe, ale jak taki materiał może się przydać? Kwiat lotosu okazał się nie tylko symbolem czystości, ale także pomógł ludziom nauki dowiedzieć się, jak uczynić nasz świat trochę lepszym. Przede wszystkim samoczyszczące powierzchnie pomogą oszczędzać wodę. To bardzo ważne tam, gdzie liczy się każdy litr wody. Ponadto takie materiały mogą mieć właściwości przeciwoblodzeniowe - tworzenie się lodu na sterach samolotu niesie ze sobą bardzo smutne konsekwencje. Powierzchnie superhydrofobowe będą bardziej odporne na pleśń i inne mikroorganizmy. Właściwość polegająca na tym, że powierzchnia metalu staje się całkowicie czarna, może być przydatna do efektywnego pochłaniania energii słonecznej.