«Непотопляемый», вероятно, не самое подходящее слово для обозначения кораблей, но, несмотря на то, что мы знаем о «Титанике», исследователи из Университета Рочестера разработали новый тип металла, который действительно плавает независимо от того, сколько вы пытаетесь подталкивать его под воду. Они даже пытались проколоть материал, и он все равно не опрокинулся.
По словам Чунлей Го (Chunlei Guo), профессора оптики и физики из Университета Рочестера, соавтора статьи о новом металле в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, материал, который исследователи нанесли на наноразмерные модели, позволяющие ловить пузырьки воздуха, теоретически может привести к созданию действительно непотопляемого корабля или идеального средства для сохранения жизни. Исследование финансировалось Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Исследовательским отделом армии США и Национальным научным фондом.
Супергидрофобные пауки и муравьи
В природе множество существ - таких как пауки и огненные муравьи - могут плавать или скользить по поверхности воды в течение длительных периодов времени, что вдохновляло исследователей. Но как они это делают?
Ответ: они задерживают пузырьки воздуха. Например, водные пауки Argyroneta могут создать подводную паутину в форме купола, наполняя ее воздухом своими супергидрофобными ногами и брюшками. Огненные муравьи, со своей стороны, создают своего рода «плот», задерживая воздух своими супергидрофобными телами.
Вот где мы должны вернуться на урок биологии в средней школе. Есть хороший шанс, что вы как бы помните термины «гидрофобный» и «гидрофильный», если ваш учитель сломал латинские корни каждого слова: «фобический», означающий страх, и «филологический», означающий показать любовь или нежность. Вот как вы должны были помнить, если материал уживается с водой, как учитель объяснял, почему масло и вода не смешиваются; гидрофобные поверхности обладают барьерным свойством, которое заставляет их отталкивать воду.
Рассматривая основные структуры клетки, первое, чему нас учат, - это то, что каждый из них содержит липидный бислой, который помогает удерживать содержимое клетки внутри, как идеальный маленький пузырь. Липидный бислой, состоящий из двух слоев жировых клеток, образует клеточную мембрану. Он толщиной около пяти нанометров и нерастворим в воде, как масло.
«Двухслойный» означает, что есть два слоя, как показано выше. Каждый слой содержит жирные липиды с двумя значительными областями: гидрофобный хвост, который противостоит воде, и гидрофильный наконечник, который хорошо сочетается с водой. Поскольку головки липидов направлены наружу клетки на одном слое, а внутри клетки - на втором, все хвосты спрятаны внутри бислоя, что делает всю структуру непроницаемой для всего, кроме воды и газов без помощь других структур.
Материал, который произвела лаборатория Го, является супергидрофобным металлом, что в основном означает, что он делает невероятную работу по отталкиванию воды, позволяя плавать. Вот почему исследователи считают, что у этого металла есть будущее в судостроении.
В своей статье Го и его соавторы отмечают, что «многогранные супергидрофобные (SH) поверхности могут улавливать большой объем воздуха, что указывает на возможность использования поверхностей SH для создания плавучих устройств».
Это не первый случай, когда моряки используют супергидрофобные материалы. В 2018 году ВМФ начал испытания супергидрофобных покрытий на корпусах подводных лодок, что могло бы повысить эффективность использования топлива и сделать их более тихими. Идея заключалась в том, что покрытие в основном создавало слой пузырьков по всему корпусу, что помогло уменьшить сопротивление воды. Это даже сделало подводные лодки быстрее.
Вывести лазеры
Чтобы создать это супергидрофобное свойство, исследователи использовали лазеры, чтобы вытравить микро- и наноразмерные структуры на поверхности структуры. В частности, они использовали технику, которую Го помог разработать в 2015 году, которая использует лазеры, чтобы сделать материалы более водоотталкивающими, чем даже тефлон, который обычно используется для изготовления антипригарных сковородок.
«Вода падает на поверхность, отталкивается и отскакивает от поверхности», - объяснил Го в видео на университетской прессе на YouTube. «Это достигается путем создания уникальной структуры поверхностных структур на микро- и наноуровнях с помощью нашей технологии лазерной обработки».
Для создания рисунков, которые становятся частью самого материала, они использовали фемтосекундные лазеры, которые излучают световые импульсы в течение ультракороткого промежутка времени до 10-15 секунд. В результате материал может улавливать пузырьки воздуха, чтобы помочь ему отталкивать воду, как эти пауки и огненные муравьи. В этом случае они использовали алюминий, но в документе отмечают, что можно использовать любой металл.
Го и остальная часть команды надеются, что эта технология будет внедрена коммерчески, но для создания этих шаблонов потребуется более быстрые лазеры, достаточно эффективные, чтобы иметь экономический смысл в масштабе.