Физики университета Рочестера создали материал, который невозможно намочить, а капли воды от него просто отскакивают.

Лотос считается символом чистоты: вырастая в грязной болотной воде, на свет появляются потрясающе красивые и чистейшие цветы. Казалось бы, что может быть общего между символом чистоты и физикой? Оказывается, общее есть, и называется это научным термином – гидрофобные свойства поверхности. Если поверхность гидрофильна, то по ней вода может спокойно растекаться и образовывать равномерную пленку (пример такой поверхности – стекло). Но если пролить несколько капель воды на тефлоновую сковородку, они не будут прилипать к поверхности, а если ее наклонить на определенный угол, то капли начнут скатываться – это пример гидрофобной поверхности.

Листья лотоса – это природная супергидрофобная поверхность, она не намокает в воде, а капли скатываются с нее, унося с собой частички пыли и грязи, очищая растения. Фото: Josep M./Flickr

Наука и жизнь // Иллюстрации

Капли воды отскакивают от материала с созданной лазером микроструктурой. Фото: J. Adam Fenster / University of Rochester

А есть еще такое свойство, как супергидрофобность. На таких поверхностях капли воды совсем не могут закрепиться, и начинают скатываться с нее при совсем небольших углах наклона. Например, капли росы на траве имеют сферическую форму, поверхность как бы отталкивает воду, не давая ей себя намочить. Листья лотоса – это самый красивый пример супергидрофобной поверхности, созданной природой. Секрет кроется в микростроении листьев, они не только отталкивают воду, но и способствует самоочищению растения. Капли воды, скатываясь с поверхности листа, уносят с собой частички пыли и грязи, оставляя цветок идеально чистым. Кстати, таким же свойством обладают крылья бабочек и других насекомых, иначе они просто не смогли бы летать под тяжестью налипшей пыли.

Человек научился делать искусственные гидрофобные поверхности, которые никак не смачиваются водой. Но два физика из университета Рочестера, Анатолий Воробьев и Чан-Ли Гуо, пошли дальше, и смогли изготовить материал, от которого капли воды отскакивают, как теннисный мячик от стены. Точнее будет сказать, что они придумали метод, с помощью которого такое уникальное свойство можно придать разным материалам. Как же это им удалось?

Для обработки поверхности исследователям потребовался мощный сапфировый лазер, генерирующий короткие, фемтосекундные импульсы. Сфокусировав лазерный луч на поверхности металла, на его поверхность нанесли параллельные канавки шириной порядка 100 мкм и глубиной 75мкм. Такой размер сопоставим с толщиной человеческого волоса. На получившейся ребристой поверхности, чем-то напоминающей грядку с окученной картошкой, образовались еще более мелкие наноструктуры, которые сделали канавки и борозды «шероховатыми». На то, чтобы обработать лазером пластину из металла размером 2.5 х 2.5 см, экспериментаторам понадобилось около часа.

В результате получился удивительный материал. Для своих опытов физики взяли три металлические пластины, сделанные из платины, титана и латуни. После обработки блестящая металлическая поверхность стала абсолютно черной – она перестала отражать свет. Но самое впечатляющее открытие было сделано, когда на такую модифицированную лазером пластину капнули водой – упавшая капля просто отскочила от нее. Поверхность получилась настолько водоотталкивающей, что попавшая на нее капля, смогла сохранить до трети своей кинетической энергии и отскочить обратно. Естественно, что сама металлическая пластинка осталась абсолютно сухой. Чтобы проверить самоочищающиеся свойства созданного материала, исследователи нанесли на него слой пыли, взятой из обычного пылесоса. После этого на поверхность стали капать обычную воду – каждая капля, «приклеивала» на себя фрагменты пыли, унося их с собой. А сам материал остался в первозданной чистоте, ничем не хуже, чем прекрасный цветок лотоса.

Прыгающие по плоскости капли – это, конечно, красиво и интересно, но чем может быть полезен такой материал? Цветок лотоса оказался не только символом чистоты, но и помог людям науки придумать, как сделать наш мир немного лучше. В первую очередь самоочищающиеся поверхности помогут экономить воду. Это очень важно там, где каждый литр воды на счету. Кроме того, такие материалы могут обладать антиобледенительными свойствами – образование льда на элементах управления самолетом чревато весьма печальными последствиями. Супергидрофобные поверхности будут более стойки к образованию плесени и прочих микроорганизмов. То свойство, что поверхность металла становится абсолютно черной, может быть полезно для эффективного поглощения солнечной энергии.

Фото 1 Josep M./ flickr 

Фото 2,3  Univercity of Rochester  Newscenter

По материалам: Univercity of Rochester  Newscenter