Насекомое, птица и растение: защита от разрушительной силы дождя за счет наноструктур

Кто-то любит дождь, кого-то он вгоняет в хандру, а кто-то любит наблюдать за дождем из комфорта своего дома. Дождь, будучи частью системы циркуляции воды на планете, крайне важен для флоры и фауны. Однако для некоторых существ, вроде насекомых, он мог бы быть предвестником неминуемой гибели, если бы не эволюция. Ученые из Корнеллского университета (США) провели исследование, в котором рассмотрели, как капли дождя взаимодействуют с поверхностями различных биологических материалов (перья, листья растений, крылья насекомых и т.д.). Что показал анализ, чем отличились бабочки и как полученные знания могут быть применены на практике? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Как уже было сказано, дождь является неотъемлемой и крайне важной частью жизни планеты и всех ее обитателей. Для людей дождь по большей степени является именно помощником (в фермерстве, в водоснабжении и т.д.). Однако для представителей дикой природы дождь зачастую сопряжен с множеством опасностей: затопления жилищ или мест сбора пищи, изменения температурного режима, невозможность эффективно скрываться от хищников или, наоборот, охотиться и т.д. И это вполне логично, ибо дождливая погода не является доминирующей в природе, от чего эволюционно она не являлась основным фактором адаптации живых организмов к тому или иному региону обитания. Однако адаптация все же была, иначе первый же дождь погубил бы множество неподготовленных эволюцией видов.



Дождь сложно назвать чем-то болезненным. Ну капает вода с неба, подумаешь. Если бы капли падающей воды оставляли бы физические повреждения на коже человека, душ никто бы не изобретал. Но у многих видов существ отношение к дождю иное. Например, насекомые, чьи крылья частенько состоят из крайне хрупких и легких элементов, необходимых для полета. Еще есть птицы, которые не смогли бы нормально летать, если бы их перья промокали до нитки. Даже растения бы страдали, если бы их листья повреждались бы каплями дождя.

Однако мы все знаем, что бабочки не вымерли даже в тропиках, птицы породили поговорку «как с гуся вода», а листья растений не похожи на решето. Все это объясняется необычной структурой крыльев насекомых, перьев и листьев, которая позволяет разбивать капли в момент их падения на поверхность.

С точки зрения физики это можно назвать одним словом — супергидрофобность, т.е. умение отталкивать воду, а не впитывать ее, как губка. Ранее, как заявляют ученые, уже проводилось множество исследований гидрофобности биологических поверхностей, однако воздействие воды было «мягким». А вот во время дождя капли воды демонстрируют куда более сложную динамику, которую ранее не изучали.

Один из авторов исследования рассказывает о своем труде.

Ученые отмечают, что супергидрофобные структуры на наноуровне предотвращают проникновение жидкости в наноструктуру. Микроструктуры в свою очередь приводят к закреплению жидкости, позволяя ей проникать в зазоры между микроструктурами. Из-за этого увеличивается время пребывания (контакта) подпрыгивающей капли на твердом теле. Это приводит к тому, что между каплей и поверхностью улучшается передача массы, импульса и тепла. Негативный эффект заключается в снижении функций самоочистки, защиты от обледенения, защиты от запотевания и супергидрофобности.

Следовательно, наноструктуры являются куда более интересными в аспекте супергидрофобности, нежели микроструктуры.

Тем не менее, ранее проведенные исследования показали, что определенные микроструктуры способны демонстрировать асимметричное растяжение и втягивание, а также отскок капли в форме блина, что в конечном итоге приводит к быстрому отрыву капли от поверхности со значительным сокращением времени контакта. Но, опять же, это исследование проводилось с медленными каплями, чья скорость не соответствовала той, что наблюдается при реальном дожде.

В данном труде ученые решили проверить именно быстрые (ударные) капли и то, как они взаимодействуют с поверхностями различных биоматериалов. В результате было обнаружено, что ударная капля на высоких скоростях может генерировать ударные поверхностные волны при наличии определенной морфологии поверхности на микромасштабе. Верхний интерфейс между жидкостью и воздухом в растекающейся жидкости нарушается из-за ударных волн и становится уязвим для разрывов водной пленки. Другими словами, необычная морфология поверхностей биоматериалов приводит к тому, что ударная капля разбивается на части, которые не могут нанести значительно урона, в отличие от целой капли.

В результате время контакта уменьшается примерно на 70%, и, соответственно, перенос тепла и импульса ударной капли на поверхность также уменьшается.

Результаты исследования

Для наблюдения были подготовлены разные биоматериалы, в том числе перья птиц, насекомые и листья растений. На образцы воздействовали капли воды радиусом ® от 1.1 до 2.0 мм со скоростью движения (U) от 0.7 до 6.6 м/с.

Соответствующее число Вебера* (We = pU²(2R)/γ) колеблется от 15 до 2000, что соответствует типичному для осадков We. Плотность составила 1000 кг/м³, а поверхностное натяжение 72 мН/м.

Число Вебера* — критерий подобия в гидродинамике, определяющий отношение инерции жидкости к поверхностному натяжению.

Динамика падения капли была зафиксирована высокоскоростной камерой с частотой кадров от 5000 до 20 000 с^-1 и разрешением 1024 на 672 пикселей.


Изображение №1

На изображении 1А показано воздействие капли на перо птицы, которое является супергидрофобным с шероховатостями поверхности в различных масштабах.

На снимках видно, что имеет место иерархическая структура: микроскопические бородочки отходят от бородок, прикрепленных к стержню.


Строения пера: 1 — опахало; 2 — стержень; 3 — бородки (состоят из пересекающихся бородочек, цепляющихся друг к другу микроскопическими крючками); 4 — пуховая часть; 5 — очин (полая часть стержня, расположенная в коже).

Когда капля ударяется о перо с высокой скоростью (We 1000), интерфейс жидкость-воздух распространяющейся капли нарушается и генерирует сотни V-образных ударных волн. Типичная ударная волна наблюдается, когда сжимаемая жидкость испытывает разрыв плотности и образует V-образную волновую картину. В данном случае наблюдаемая волна не является классической ударной волной, поскольку жидкость в этих экспериментах несжимаема на скоростях и имеет однородную плотность. Однако аналогичные V-образные волны являются результатом разрыва в толщине пленки растекающейся капли, а не изменений плотности. Поэтому, даже если жидкость не сжимается, ученые именуют волновую картину «ударными волнами» в своей работе.

Затем распадающаяся капля резко разбивается/фрагментируется вскоре после разрыва жидкой пленки и образующихся отверстий. Подобный морфологический переход ударной капли также наблюдался для других биологических поверхностей, таких как крылья насекомых и листья растений (1В и 1С).

Все эти образцы имеют иерархические супергидрофобные структуры, где существует множество бугорков микрометрового размера с наноразмерными структурами.

Для дальнейшего изучения нюансов структуры ударной волны были подготовлены два типа поверхности с разной смачиваемостью*.

Смачиваемость* — способность жидкости поддерживать контакт с твердой поверхностью, которая контролируется балансом между межмолекулярными взаимодействиями адгезивного типа (жидкость к поверхности) и когезионного типа (жидкость к жидкости).

Первый тип представляет собой поверхность из гидрофильного стекла, второй — супергидрофобную поверхность, покрытую иерархическими микро- и наноструктурами.


Изображение №2

На гладкой гидрофильной поверхности капля просто распространяется, образуя расширяющийся в радиальном направлении ободок (2А).

На супергидрофобном стекле капля с низкой скоростью удара распространяется, втягивается и отскакивает (2В), тогда как капля с высокой ударной скоростью демонстрирует ударные поверхностные волны и динамику разрушения (2С).

При высоком значении U сотни удароподобных поверхностных волн генерировались в присутствии микромасштабных неровных структур (2C, второй снимок слева). Капля распространяется, а затем внезапно разрывается, поскольку образуются отверстия (2C, снимок в центре). В результате распространяющаяся капля разбивается на более мелкие сателлитные капли (2C, снимок справа), поскольку отверстия становятся больше и сливаются.

Аналогичная динамика наблюдалась на поверхности с микроструктурами (тип III) с постоянным интервалом и высотой выступов (2D).

Эти данные позволили подтвердить, что когда капля сталкивается с иерархическими супергидрофобными поверхностями с высокой скоростью удара, микромасштабные неровные структуры могут возмущать распространяющуюся каплю, создавая многочисленные удароподобные волны на интерфейсе жидкость-воздух, и в конечном итоге изначальные капли разбиваются на более мелкие.

Такое распределение и фрагментация значительно снижают время пребывания/контакта капли на твердой поверхности (практически вдвое).


Изображение №3

На изображении 3А показана схема того, как удароподобная волна генерируется над микровыпуклостями на поверхности при распространении капли. Экспериментально было подтверждено, что половинный угол удароподобной волны увеличивается с течением временем (вставки на 3В) и уменьшается с радиальным расстоянием от центра до выпуклости (r_b). На графике 3С отчетливо видна зависимость ψ от t и r_b для различных иерархических супергидрофобных поверхностей.

Половинный угол удароподобной волны (ψ) может быть определен следующей формулой: sin ψ = u_w / u = 1/Ma*, где uw — скорость распространения волны, u — скорость жидкости, Ма — эквивалентное число Маха*, так как Ma = u / u_w.

Число Маха* — отношение скорости движения объекта в среде к скорости звука в этой среде.

Здесь u можно аппроксимировать как r/t, где r — радиальное расстояние от центра капли. Касательно скорости распространения волны (u_w): волна распространяется под действием капилляров (микроструктурных поверхностных неровностей), что приводит к u_w = √2γ/(ph), где γ — поверхностное натяжение, h — толщина слоя растекающейся капли. Следовательно, ψ можно выразить следующим образом:

sin ψ = 1/Ма* = √2γ/(ph) / (r/t)

Толщину слоя h(r, t) можно аппроксимировать как R3 / (U2t2)(Ut/r)n, где n = 3 это ранняя стадия, 2 это срединная стадия и 0 — заключительная стадия распространения капли. Основываясь на формуле выше и модели толщины слоя растекающейся капли, рассеянные данные на 3C идеально выравниваются под одну линию на 3D.


Изображение №4

Выше критической скорости удара (U_c) образуется множество удароподобных волн, которые сталкиваются друг с другом. В результате удароподобные волны создают неоднородную толщину слоя растекающейся капли (4А) с определенной амплитудой (|Ƞ|), что приводит к образованию морщинистой структуры на растекающейся капле. Затем внезапно образуются отверстия/разрывы в тех местах, где возникают удароподобные волны во время стадии падения. В результате водный слой разрывается при взаимодействии с микроскопическими выпуклостями на поверхности образцов биоматериалов. Этот факт вносит дополнительный критерий — h(t) — |Ƞ| ≈ ϵ, где ϵ — высота микровыпуклости.

Также необходимо было проанализировать и время зарождения отверстий (t_hole), определяемое как интервал времени между контактом капли с поверхностью и формированием первого отверстия. На 4В показано, что thole уменьшается со скоростью удара (U). Из этого следует два возможных предельных сценария развития событий.

Первый сценарий — скорость удара значительно выше критической скорости (U ﹥ U_c), а отверстия образуются на растекающейся капле, когда радиус распространения капли близок к ее максимальному радиусу (2С и 2D).

В этом случае наблюдается некая «морщинистость» растекающейся капли растяжения. Это указывает на то, что амплитуда возмущенного интерфейса (|Ƞ|) достаточно велика, чтобы играть существенную роль в разрыве пленки.

Второй сценарий — когда U ≈ U_c, единственное отверстие появляется непосредственно перед отскоком капли. Таким образом, время образования отверстия, thole, приближается к времени контакта с капилляром. В этом сценарии ударная волна на микровыпуклости имеет небольшую амплитуду и быстро рассеивается.

При U > U_c, как только отверстия зарождаются на растекающейся капле, они быстро расширяются, чтобы снизить их поверхностную энергию на гидрофобных наноструктурных поверхностях. Скорость распространения отверстий на супергидрофобных поверхностях было 1 м/с до тех пор, пока отверстия не сливались воедино, что приводило к полному разрыву растекающейся капли.

Подобная динамика наноструктурной гидрофобной поверхности также приводит к снижению времени контакта капли с ней на 70%.

Дополнительные видеоматериалы:

Видео №1: воздействие капли воды радиусом 1.7 мм на поверхности, указанные на изображении №1.

Видео №2: воздействие капли воды радиусом 1.7 мм на другие биологические поверхности: бабочка-парусник, бабочка-цекропия и стрекоза.

Видео №3: воздействие капли воды радиусом 1.7 мм на крыло тигровой моли.

Видео №4: воздействие капли воды радиусом 1.7 мм на искусственные поверхности I типа, указанные на изображении №2.

Видео №5: воздействие капли воды радиусом 1.7 мм на искусственные поверхности II типа, указанные на изображении №2.

Видео №6: воздействие капли воды радиусом 1.2 мм на искусственную поверхность (тип I) при критической скорости удара (≈ 2 м/с).

Видео №7: воздействие капли воды и капли изопропилового спирта радиусом 1.4 мм на стеклянные поверхности, где тонкая игла расположена немного выше стеклянной поверхности для создания ударных волн на распространяющейся капле.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Эволюция учитывает множество факторов, от места обитания вида до климатических условий. Если регион обитания не богат на осадки, то можно использовать физику жидкостей, чтобы собирать столь ценную воду, как это делают жабовидные ящерицы (капли дождя, попадая на кожу, транспортируются по канавкам между рогообразными наростами прямо ко рту ящерицы).

Пока одни виды собирают капли дождя самыми необычными способами, другие всячески стараются держаться от капель подальше. Для некоторых насекомых, птиц и растений животворный дождь мог бы стать источником серьезного ущерба, если бы не их адаптация. Капли дождя могут как физически повредить крыло насекомого или лист растения, так и привести к нежелательной гипотермии ввиду длительного контакта холодной воды с организмом. Если же поверхность листа, крыла или пера покрыта специализированными микроскопическими неровностями (капиллярами, выпуклостями и т.д.), то капли при контакте с ними разбиваются. Эти неровности гасят ударную силу капли и снижают время контакта на 70%, что предотвращает повреждения и охлаждение.

Авторы сего исследования намерены продолжить свой труд, чтобы детальнее изучить варианты схем разнообразных наноразмерных поверхностных структур на разных биоматериалах. В дальнейшем они планируют использовать полученные данные для создания искусственных супергидрофобных материалов, применить которые можно в самых разных отраслях, от авиастроения до шитья одежды.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Пятничный офф-топ:

Помимо необычного метода употребления жидкости, рогатые ящерицы обладают также и необычным арсеналом защитных средств против хищников.

Офф-топ 2.0:

Помимо гидрофобных свойств, крылья сов позволяют им летать фактически бесшумно, что позволяет им застигать добычу врасплох.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?