Niezatapialny metal
Optycy z Uniwersytetu w Rochester za pomocą specjalnego lasera stworzyli metal, który nie idzie na dno. Podstawą ich wynalazku był wcześniej opracowany przez nich nanowzór, który wyżłobiony w metalu daje mu właściwości hydrofobiczne. W znalezieniu sposobu na to, żeby ten materiał utrzymał się na wodzie pomimo długotrwałego zatapiania, a nawet dziurawienia pomogło podpatrywanie przyrody, a konkretnie pływających mrówek i pająków topików. Wynalazek ma potężny potencjał aplikacyjny.
Odkąd pierwszy człowiek wypłynął na morze, ludzkość marzy o niezatapialnych łodziach. Sto lat temu, kiedy Titanic wyruszał w swoją pierwszą i jedyną misję, mówiło się o nim, że jest niezatapialny, dzięki wodoszczelnym grodziom znajdującym się pod pokładem. Jego tonięcie trwało około 2,5 godziny, a większość grodzi została po prostu „otwarta” przez zderzenie z górą lodową. Sto lat później statki nadal toną, co często łączy się z ofiarami, a niezmiennie z wielkimi stratami finansowymi.
Nową odpowiedzią na to wielkie wyzwane jest wynalazek, który zaprezentowali naukowcy z Uniwersytetu w Rochester (w amerykańskim stanie Nowy Jork) – niezatapialny metal. Jak pokazują badacze, materiał nie idzie na dno, nawet zostawiony w wodzie na bardzo długo, nawet po jego odkształceniu lub podziurawieniu.
Żeby to było możliwe, naukowcy zastosowali technikę, którą rozwijają w swoim laboratorium już od kilku lat. Już na początku 2015 roku w „Journal of Applied Physics” ukazał się artykuł Anatoliy’a Y. Vorobyeva i Chunlei Guo z Instytutu Optyki Uniwersytetu w Rochester informujący o laserowej technice uzyskiwania wodoodpornego materiału. Naukowcy za pomocą lasera pulsującego z częstotliwością na poziomie femtosekund (biliardowych części sekundy) nanieśli na metalową powierzchnię mikro- i nanostrukturalny wzór, który sprawiał, że powierzchnia ta stała się superhydrofobiczna, czyli odpychająca od siebie cząsteczki wody. Publikacji towarzyszył film, na którym spadająca pionowo kropla odbijała się od powierzchni metalu z mocą około 30 procent pierwotnej energii kinetycznej.
Wynalazkowi przypisano cały szereg potencjalnych zastosowań. Skoro na powierzchni nie będzie zbierać się woda, to nie będzie ona zamarzać. Taki materiał będzie znacznie mniej podatny na korozję. Superhydrofobczność może mieć duże znaczenie także w kwestiach sanitarnych, tym bardziej, że jedno z gałęzi badań poszło w stronę tego, czy metal będzie odbijał także zanieczyszczenia towarzyszące wodzie. Prof. Chunlei Guo, szef laboratorium prowadzącego badania, podkreślał znaczenie tego wynalazku dla lokalizacji, w których panuje niedobór wody. Raport z tego etapu badań można obejrzeć na Youtube (film zamieszczony obok).
Jednym z pytań, jakie badacze zadali sobie na kolejnym etapie prac, jest to, czy taki materiał może też utrzymać się na wodzie? Podstawą działania tego specyficznego uformowania materiału (naukowcy pracowali z aluminium) jest to, że w mikrowyżłobieniach zatrzymuje się powietrze, które tworzy barierę ochronną odpychającą wodę. Kiedy tak przygotowany metal zostanie więc położony na wodzie, samoczynnie się z niej wypycha.
Zespół prof. Guo (pozostali autorzy artykułu to jego doktoranci) przekonał się jednak, że po długotrwałym zanurzeniu w wodzie materiał traci swoje właściwości hydrofobiczne. Musieli więc znaleźć sposób na to, żeby powstrzymać wodę od stopniowego „zalewania” powierzchni metalu.
Z pomocą przyszła obserwacja przyrody. Kilka gatunków pająków oraz mrówki z rodzaju Solenopsis potrafią utrzymywać się na wodzie dzięki umiejętności zatrzymania odpowiedniej ilości powietrza w zamkniętym „pojemniku”. Dla przykłady pająki topiki (Argyroneta aquatica) nauczyły się za pomocą swojej nici wciągać pod wodę bańkę powietrzną, a następnie buduje z niej pod wodą dużą bańkę w kształcie dzwonu (stąd angielska nazwa – diving bell spider), otoczoną hydrofobiczną siecią pajęczą.
Obserwując podobne zachowania naukowcy zrozumieli, że kluczem nie jest tylko wypychanie wody, ale też stworzenie odpowiednio dużej przestrzeni, w której zatrzymane zostanie powietrze. I tak powstała ostateczna wersja wynalazku – zamiast jednej, dwustronnej płytki – dwie płytki jednostronnie wyżłobione, skierowane żłobieniami do wewnątrz. W ten sposób między połączonymi płytkami powstaje przestrzeń, do której woda nie jest w stanie się dostać.
Jak się okazuje, nie zmienia nic ani czas ani uszkodzenie. Zanim naukowcy ogłosili swoje wyniki przeprowadzili kilka testów – jedną z płytek trzymali przyciśniętą pod wodą przez dwa miesiące, a inną podziurawili małymi i większymi otworami. W obu przypadkach okazało się, że metalowa płytka nie straciła swoich właściwości i uwolniona natychmiast wydostawała się na powierzchnię (prezentuje to drugi film załączony obok).
Jak ważny to projekt dobrze pokazują źródła jego finansowania – badania wspierała amerykańska armia, National Science Foundation i Fundacja Billa i Melindy Gates. Wynalazek może być przecież spełnieniem marzeń budowniczych statków. Naukowcy myślą też o wielu innych potencjalnych zastosowaniach – od urządzeń sanitarnych po miasta unoszące się na wodzie.
Źródła badań:
A. Y. Vorobyeva and Chunlei Guob: Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses. "Journal of Applied Physics" 117, 033103 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4905616
Zhibing Zhan, Mohamed ElKabbash, JinLuo Cheng, Jihua Zhang, Subhash Chandra Singh, Chunlei Guo: Highly Floatable Superhydrophobic Metallic Assembly for Aquatic Applications. "ACS Appl. Mater. Interfaces" 2019. https://doi.org/10.1021/acsami.9b15540
Opracowano na podstawie artykułów:
Spiders and ants inspire metal that won’t sink, opublikowanego na portalu internetowy University of Rochester
Scientists Have Created an 'Unsinkable' Metal That Floats Even When Damaged, opublikowanego na portalu ScienceAlert
