Цивилизация
Группа ученых из Гарварда и Массачусетского исследовательского центра компании «Шлюмберже» опубликовали в последнем номере журнала Nature статью, в которой рассказали о результатах своей работы, вдохновленной природой, точнее хищными растениями. Насекомоядные травы рода Непентес развили в процессе эволюции особый способ охоты на мелкую добычу — он подсказал ученым идею создания омнифобного покрытия, отталкивающего самые разные жидкости (от лат. omni — весь, полный).
Биомиметика – прикладная наука, скорее даже технологический подход к созданию различных устройств или материалов на основе идей, подсмотренных в живой природе.
Одним из известнейших ее плодов стала застежка-липучка, на создание которых изобретателей вдохновили плоды репейника, вернее его крючочки.
В последние годы одной из наиболее популярных задач в «природном» материаловедении стало создание покрытия, которое воспроизводило бы способность листьев лотоса самоочищаться. Это растение стало символом чистоты во многих азиатских и североафриканских культурах благодаря способности листьев оставаться абсолютно чистыми даже после погружения в очень грязную воду. Это интересное свойство лотоса объясняется особой микроструктурой поверхности его листьев, которую учёные впервые рассмотрели с помощью электронного микроскопа в начале 90-х годов прошлого века. Листья лотоса покрыты крохотными тоненькими выростами-папиллами, расположенными очень близко друг к другу. Выросты создают прослойку из воздуха, отделяющую основную поверхность листа от окружающей влаги: капельки воды, попадающие на лист, не могут «прилипнуть» к поверхности, так как оказываются полностью окруженными воздухом. В таких условиях за счёт высокого поверхностного натяжения они приобретают шарообразную форму и легко скатываются с листа, подхватывая по дороге пылинки и другие загрязнения.
Многие научные группы во всем мире пытались воссоздать подобную поверхность, и некоторым это удалось. Однако, как и у живого лотоса, у таких искусственных поверхностей, созданных на основе «эффекта лотоса», есть множество недостатков: они, например, не отталкивают органические жидкости, состоящие из неполярных молекул, потому что в них поверхностное натяжение не так велико. Такие масла и органические растворители не стремятся образовывать сферические капли и просачиваются между паппилами. К тому же такая поверхность с «воздушной прокладкой» очень чувствительна к самым незначительным механическим повреждениям, например царапинам, в результате которых необратимо теряет свои водоотталкивающие свойства.
Есть и еще один неприятный для прикладных технологий момент: производить такие поверхности очень дорого.
Исследователи из гарвардской Школы инженерии и прикладных наук решили отвлечься от лотоса и поискать другие примеры омнифобных поверхностей в природе. Их внимание привлекли непентесы – азиатские насекомоядные растения. Часть их листьев вырастает в форме кувшинчиков с покатыми вывернутыми наружу краями, покрытыми тоненькой слизистой пленкой.
Когда муравей, паук или даже крошечная лягушка, привлеченные яркой окраской кувшинчика и идущим из его недр сладковатым запахом ступает на край, то мгновенно соскальзывает в сосуд, наполненный пищеварительными соками, не имея возможности удержаться на скользкой поверхности.
Перед учёными встала задача создать поверхность, постоянно смачиваемую лубрикантом, который не смешивается ни с водой, ни с маслами. Решение оказалось очень простым и, как всё простое, очень элегантным. Ученые решили создать покрытие по структуре напоминающее губку и пропитать его известным подходящим лубрикантом. Материаловеды использовали известные производящиеся в промышленных масштабах жидкости, ведь их задачей было создать дешевый и легко масштабируемый материал.
Выбор «губчатой» основы оказался более сложной задачей. Ученые протестировали поверхность, покрытую упорядоченной структурой «волосков» из фторкремневодородного полимера и массу из случайно спутанных тефлоновых волокон. Оказалось, что обе «губки» работают одинаково хорошо, а значит, никакого преимущества упорядоченные структуры не имеют. Это очень обнадеживающий с точки зрения массового применения результат: ведь упорядоченные структуры создавать значительно дороже, чем хаотично организованные.
«Вдохновившись насекомоядными растениями, мы разработали новое покрытие, которое превосходит его натуральные и синтетические аналоги и предоставляет простое и гибкое решение для получения поверхностей, отталкивающих жидкости и твердые загрязнения»,
— рассказала Джоанна Айзенберг, профессор материаловедения Школы инженерии и прикладных наук Гарвардского университета и руководитель Института гарвардского Бионано наук и технологий Фреда Кавли.
Получившиеся поверхности ученые назвали SLIPS, то есть Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces – скользкие наполненные жидкостью пористые поверхности. Созданные образцы с достоинством выдержали испытания на омнифобность: вода, органические жидкости, масла и даже сложные смеси, такие как сырая нефть или кровь, легко соскальзывали с пластинки, покрытой SLIPS, при минимальном наклоне. Для того, чтобы убедиться, что искусственный материал ни в чём не уступает своему природному прототипу экспериментаторы даже провели тест с муравьями. Насекомые мгновенно скатывались по наклонной поверхности или отступали к безопасной «земле», сделав лишь нескольких робких шагов.
«Эффект похож на то, когда машина находится в режиме водного клина, шины буквально скользят по воде, не соприкасаясь с дорогой,
– рассказал о использованном в работе принципе лидирующий автор статьи Так-Син Вон, проходящий постдокторскую практику в лаборатории Айзенберг. – В случае несчастных муравьёв, масло, смачивающее снизу их лапки, не прилипает к скользкой поверхности... Это как масляное пятно, плывущее по поверхности лужи».
«Смоченная водоотталкивающей жидкостью поверхность имеет и другие преимущества, поскольку она невероятно гладкая и не имеет дефектов, – добавляет Вон, –
Даже если поскрести образец ножом или лезвием, повредив его поверхность, она самовосстанавливается почти мгновенно, и качество отталкивания сохраняется, что даёт возможность называть SLIPS самозалечивающимися».
И это далеко не все преимущества SLIPS перед другими омнифобными материалами. Например, в отличие от покрытий, созданных на «эффекте лотоса», SLIPS могут быть сделаны прозрачными для видимого света, а значит подходят для применения в оптике, для создания линз, которые не будут смачиваться и пачкаться, или даже для производства самоочищающихся окон. Учёные протестировали свои материалы и в экстремальных условиях – при давлении в 675 атмосфер, что эквивалентно погружению в океан на 7 км, а также при минусовых температурах, проведя эксперименты на открытом воздухе после снегопада. Оба испытания SLIPS выдержали, а в мороз, к тому же, показали, что могут отталкивать лёд, что также открывает интересные перспективы для применения.
Естественно, работа не закончена. Ученые ведут дополнительные испытания, пытаются совершенствовать технологию. Но одновременно команда начала работу по получению патента на своё изобретение. Такая влаго- и маслоотталкивающая, самоочищающаяся и самозалечивающаяся поверхность обязательно найдёт своё применение для транспортировки топлива и воды, например, или в медицинских устройствах, таких как катетеры и системы переливания крови.