Фізики університету Рочестера створили матеріал, який неможливо намочити, а краплі води від нього просто відскакують.
Лотос вважається символом чистоти: виростаючи в брудній болотній воді, на світ з'являються приголомшливо красиві і найчистіші квіти. Здавалося б, що може бути спільного між символом чистоти і фізикою? Виявляється, спільне є, і називається це науковим терміном - гідрофобні властивості поверхні. Якщо поверхня гідрофільна, то по ній вода може спокійно розтікатися і утворювати рівномірну плівку (приклад такої поверхні - скло). Але якщо пролити кілька крапель води на тефлонову сковорідку, вони не будуть прилипати до поверхні, а якщо її нахилити на певний кут, то краплі почнуть скочуватися - це приклад гідрофобної поверхні.
А є ще така властивість, як супергідрофобність. На таких поверхнях краплі води зовсім не можуть закріпитися, і починають скочуватися з неї при зовсім невеликих кутах нахилу. Наприклад, краплі роси на траві мають сферичну форму, поверхня ніби відштовхує воду, не даючи їй себе намочити. Листя лотоса - це найкрасивіший приклад супергідрофобної поверхні, створеної природою. Секрет криється в мікробудуванні листя, вони не тільки відштовхують воду, а й сприяють самоочищенню рослини. Краплі води, скочуючись з поверхні листа, забирають з собою частинки пилу і бруду, залишаючи квітку ідеально чистою. До речі, такою ж властивістю володіють крила метеликів та інших комах, інакше вони просто не змогли б літати під тяжкістю налиплого пилу.
Людина навчилася робити штучні гідрофобні поверхні, які ніяк не змочуються водою. Але два фізики з університету Рочестера, Анатолій Воробйов і Чан-Лі Гуо, пішли далі, і змогли виготовити матеріал, від якого краплі води відскакують, як тенісний м'ячик від стіни. Точніше буде сказати, що вони придумали метод, за допомогою якого таку унікальну властивість можна надати різним матеріалам. Як же це їм вдалося?
Для обробки поверхні дослідникам потрібен потужний сапфіровий лазер, що генерує короткі, фемтосекундні імпульси. Сфокусувавши лазерний промінь на поверхні металу, на його поверхню нанесли паралельні канавки шириною близько 100 мкм і глибиною 75мкм. Такий розмір можна порівняти з товщиною людської волосини. На отриманій ребристій поверхні, що чимось нагадує грядку з окученою картоплею, утворилися ще більш дрібні наноструктури, які зробили канавки і борозни «шорсткими». На те, щоб обробити лазером пластину з металу розміром 2.5 х 2.5 см, експериментаторам знадобилося близько години.
В результаті вийшов дивовижний матеріал. Для своїх дослідів фізики взяли три металеві пластини, зроблені з платини, титану і латуні. Після обробки блискуча металева поверхня стала абсолютно чорною - вона перестала відбивати світло. Але саме вражаюче відкриття було зроблено, коли на таку модифіковану лазером пластину капнули водою - крапля, що впала, просто відскочила від неї. Поверхня вийшла настільки водовідштовхувальною, що капля, яка потрапила на неї, змогла зберегти до третини своєї кінетичної енергії і відскочити назад. Природно, що сама металева платівка залишилася абсолютно сухою. Щоб перевірити самовочищаючі властивості створеного матеріалу, дослідники нанесли на нього шар пилу, взятого зі звичайного пилососа. Після цього на поверхню почали капати звичайну воду - кожна крапля, «приклеювала» на себе фрагменти пилу, забираючи їх із собою. А сам матеріал залишився в первозданній чистоті, нічим не гірше, ніж прекрасна квітка лотоса.
Стрибаючі по площині краплі - це, звичайно, красиво і цікаво, але чим може бути корисний такий матеріал? Квітка лотоса виявилася не тільки символом чистоти, а й допомогла людям науки придумати, як зробити наш світ трохи кращим. Насамперед самоочищені поверхні допоможуть економити воду. Це дуже важливо там, де кожен літр води на рахунку. Крім того, такі матеріали можуть мати антиоблідовні властивості - освіта льоду на елементах управління літаком загрожує досить сумними наслідками. Супергідрофобні поверхні будуть більше стійки до утворення цвілі та інших мікроорганізмів. Та властивість, що поверхня металу стає абсолютно чорною, може бути корисною для ефективного поглинання сонячної енергії.
Фото 1 Josep M./flickr
Фото 2,3 Univercity of Rochester Newscenter
За матеріалами: Univercity of Rochester Newscenter