Исследователи разработали алюминиевые конструкции, которые удерживают воздушные пузырьки, благодаря чему они могут плавать даже в самых суровых условиях.
Вдохновившись волосками на теле пауков-серебрянок и огненных муравьёв, отталкивающих воду, учёные из Университета Рочестера использовали свойство супергидрофобности для создания небольших непотопляемых алюминиевых трубок.
Исследователи утверждают, что они придумали умный способ сделать непотопляемые алюминиевые трубки, надёжно удерживающие воздушные пузырьки внутри.
Трубки узкие, их диаметр составляет около 5 мм. Но из них можно собирать более крупные конструкции, и использовать их для плавучих платформ или устройств, предназначенных для получения энергии из колебаний океанских волн.
«Я считаю, что океан по-прежнему остаётся огромным неиспользованным ресурсом», — сказал Чунлей Го, профессор оптики и физики Университета Рочестера, который возглавил работу, результаты которой были опубликованы в прошлом месяце в журнале Advanced Functional Materials.
А может быть, эта технология поможет вам создать удобное плавающее кресло для вашего бассейна.
Даже если эти трубки как следует побить друг об друга или сильно повредить, пробив в них дыры, они остаются плавучими.
«Они всё равно будут оставаться на плаву, — сказал доктор Го. — Мы провели довольно обширные и жёсткие испытания в условиях реальной окружающей среды».
Андреас Остендорф, профессор прикладной лазерной технологии в Рурском университете Бохума в Германии, который не участвовал в исследовании, назвал эту разработку «действительно интересной».
«Как исследователи, особенно в области инженерии, мы всегда ищем революционные идеи, — сказал он. — Эта идея может вырасти в план реального внедрения технологии во многих областях применения».
Алюминий — один из самых лёгких металлов, но его плотность всё же в 2,7 раза превышает плотность воды. Бросьте кусок алюминия в океан, и он утонет.
Конечно, металлические предметы, такие как корабли и пустые банки из-под газировки, плавают, потому что воздух внутри них легче воды. Но если внешняя оболочка пробита, вода хлынет внутрь, и ранее плававшие предметы погрузятся в бездну.
Чтобы сделать алюминиевые трубки непотопляемыми, учёные из Рочестера химически вытравили микроскопические ямки на поверхности конструкций. Из-за поверхностного натяжения воды капли не заполняют эти ямки. Вместо этого они почти мгновенно скатываются, и поверхность остаётся сухой.
Это свойство известно как супергидрофобность — «боязнь воды» — и некоторые существа в природе используют его в своих интересах. Подобно крошечным углублениям в алюминиевых трубках, волоски на пауках-водолазах и огненных муравьях также отталкивают воду. Пауки используют супергидрофобность для удержания воздуха, что позволяет им дышать под водой. Огненные муравьи выживают во время наводнений, соединяясь в водонепроницаемые плоты.
Супергидрофобные поверхности известны уже несколько десятилетий, но до сих пор находили лишь ограниченное практическое применение. Некоторые медицинские имплантаты имеют водоотталкивающее покрытие для предотвращения коррозии и бактериальных инфекций.
Д-р Го сказал, что он хотел бы придумать применение для супергидрофобных поверхностей, которое было бы «менее прямолинейным».
Несколько лет назад его исследовательская группа опубликовала статью, в которой описывалась плавающая конструкция, состоящая из двух параллельных супергидрофобных ��люминиевых дисков, соединённых пластиковым столбиком. Супергидрофобные поверхности предотвращали попадание воды в узкий зазор, сохраняя слой воздуха между дисками.
Это работало, но когда диски наклонялись и сдвигались вниз, воздух мог улетучиваться, уступая место воде. Поэтому учёные начали думать о других геометрических формах, и трубки оказались более прочной формой, чем диски, особенно если сделать разделительную стенку внутри трубки. Это препятствовало попаданию воды с одного конца на другой и выдавливанию воздушного пузыря.
Супергидрофобные поверхности внутри трубки предотвращали попадание воды и удерживали там воздух.
«Это очень, очень стабильная конструкция», — сказал доктор Го.
Учёные проверили устойчивость трубок, погрузив их в солёную воду и воду с растущими в ней водорослями. Поскольку вода не проникала внутрь, внутренние части трубок не подвергались коррозии, и водоросли не могли там расти. Даже просверлённые в трубках отверстия не лишили их способности плавать.
Доктор Го сказал, что они провели численный анализ, который показал, что укладка трубок в несколько слоёв создаёт конструкцию, которая может выдержать самые суровые океанские условия.
Д-р Остендорф сказал, что необходимо провести дополнительные исследования, чтобы продемонстрировать, что трубки будут работать в реальных условиях. «Есть некоторые открытые вопросы, но принцип очень хороший и очень простой, и скорее всего его можно масштабировать», — сказал он.
Д-р Го и его коллеги потратили десятилетия на изменение свойств материала путём нанесения микроскопических узоров на его поверхность.
В 2008 году доктор Го и Анатолий Ю. Воробьёв, другой исследователь из Университета Рочестера, использовали лазеры для нанесения углублений на металлические поверхности таким образом, что они по-прежнему оставались относительно гладкими, но изменяли способ поглощения и отражения света.
В результате получился алюминий, похожий на золото, и титан, имеющий тёмно-синий цвет.
Позже учёные вырезали крошечные каналы в кремнии, чтобы создать поверхности, которые притягивают, а не отталкивают воду. Они предположили, что такие поверхности, известные как супергидрофильные (обладающие чрезвычайной притягательностью к воде), могут быть использованы для охлаждения компьютерных чипов.
Д-р Го также исследовал возможность сочетания цветных металлов и поверхностей, притягивающих воду. Например, он использовал чёрный металл для создания устройства, известного как термоэлектрический генератор, поглощающего тепло от солнечного света и других источников для выработки электроэнергии.
«Так можно использовать любое отработанное тепло, — сказал д-р Го. — Например, разместить устройство рядом с глушителем под автомобилем».
