Povrch, jenž brání námraze  
Nesmáčivý povrch listu lotosu inspiroval technology k vytvoření různých super-vodoodpudivých povrchů. Výsledky svých experimentů představili vědci z Harvardu.

 

Zvětšit obrázek
Námraza na křídlech letadel může způsobit tragédii. Kredit: NASA Glenn Research Center

Zima je přede dveřmi, kdykoliv můžeme očekávat příliv chladného vzduchu, ve kterém nebude sněžit, ale pršet. Následky dobře známe – náledí. Sice zajímavé, někdy i krásné, ale zároveň strašidelné záběry stromů, aut, elektrického napětí obalených tíživou vrstvou ledu každým rokem kolují internetem v mailových přílohách.


Podchlazené drobné kapky vody se stávají příčinou tragedií. Nejen když okamžitě zamrznou na studeném povrchu vozovek a chodníků, ale i na křídlech letadel. Způsobily již několik leteckých neštěstí, ta poslední se odehrála ne tak dávno, v únoru 2009. Nezabránil jí ani hydrofobní (vodoodpudivý) povrch křídel, ani běžně v letectví používaný preventivní postřik rozmrazovací látkou, například propylenglykolem nebo etylenglykolem (Fridexem).


Nové materiály a více vodoodpudivé povrchy – to je jeden ze směrů, kterým se ubírá snaha problém zmírnit, nebo dokonce zcela eliminovat. V odborném časopisu ABS Nano se před týdnem objevil článek, v němž vědci z Harvard University v Cambridge, v americkém státě Massachusetts představují povrch, který je super-hydrofobní, tedy ještě lépe vodoodpudivý. Tým pod vedením Joanny Aizenbergové z Katedry materiálového výzkumu, jež je zároveň členkou Wyssova ústavu pro technologie inspirované biologií, si vzal příklad z přírody, kde zcela nesmáčivé povrchy evoluce dávno „vymyslela“. Díky nim se například nepotopí bruslařky a vodoměrky, vodní ploštice prohánějící se po hladině vody. Způsobují to mikroskopické chloupky pokryté tenkou vrstvičkou vodoodpudivého vosku, které pokrývají jejich dlouhé nohy. Chloupky mají navíc i jemné drážky, bránící uvězněnému vzduchu uniknout.

Zvětšit obrázek
Znázornění kontaktního úhlu u hydrofobního a hydrofilního materiálu. Na superhydrofobních površích se kapka téměř nedeformuje a úhel je větší než 150°.

 

Tajemství tedy spočívá v mikrostruktuře povrchu materiálu, který je sám vodoodpudivý. Laik by očekával, že když bude absolutně hladký, voda má nejmenší šanci se na něm udržet. Příroda i lidské bádání však prokázaly, že očím neviditelné pravidelné „gravírování“ nanometrových rozměrů tuto vlastnost zvyšuje. Zvětšuje se tím kontaktní úhel mezi povrchem kapky a povrchem materiálu, na který dopadla (obrázek vlevo). U vodopřilnavých (hydrofilních) látek je tento sklon menší než 30°. Kapka, kterou „pohromadě“ drží jenom vnitřní elektrostatické síly mezi polárními molekulami vody, se snaží na nich co nejvíce se zploštit. U vodoodpudivých (hydrofobních) materiálů se kontaktní úhel zvyšuje až na 120° a kapka je se deformuje mnohem méně. U takzvaných superhydrofobních povrchů úhel přesahuje 150° a kapka je téměř dokonale sférická, jenom nepatrně stlačována gravitací a ne přilnavostí k svému podkladu. To způsobuje, že kinetická energie dopadu stačí na to, že i když se kapka zprvu „rozpleskne“, vzápětí ji vnitřní síly opět zkompaktní a ona od povrchu doslova odskočí.

 

Tým Joanny Aizenbergové odzkoušel několik nano-vzorů vytvořených na vrstvě běžně používaného hydrofobního materiálu – fluorovaného křemíku. Různé struktury a jejich měřítko jsou v pravém sloupci na obrázku vpravo. Devět snímků zobrazuje chování kapky vody na hydrofilním (A), hydofobním (B) a zkoumaném superhydrofobním (C) povrchu 10 sekund a 10 minut po dopadu. Zkratka CA označuje kontaktní úhel. Kredit: J. Aizenberg Lab.


Následující video odhaluje, jak se kapka vody chová po dopadu na hydrofilní, na hydrofobní a na nový superhydrofobní povrch (Načítání do nového okna se spustí kliknutím na obrázek. Kredit: J. Aizenberg Lab.):



Zvětšit obrázek
Na tři různé povrchy podchlazené na teplotu -30 °C byly současně, z výšky 10 cm spouštěny kapky o teplotě 20 °C. Voda okamžitě zmrzla (A). Povrchy byly pod sklonem 15°. Při vzestupu teploty na 0 °C voda ze superhydrofobního povrchu odtekla jako první, navzdory tomu, že led byl předtím propojen na obou sousedních površích. Voda superhydrofobní povrch nesmáčí. Kredit: J. Aizenberg Lab.

 

Voda dokáže z mírně skloněného podchlazeného superhydrofobního povrchu odskočit a odtéci bez jeho smočení ještě dříve, než se v ní stihnou vytvořit krystalizační jádra způsobující v podstatě okamžitou řetězovou proměnu v led. To funguje až do teploty -25 °C až -30 °C. Při teplotě ještě nižší již nic neuchrání materiál před namrzáním ledu. Ale jak znázorňuje obrázek vpravo, i v tomto případě se po zvýšení teploty projeví lepší vodoodpudivé vlastnosti nového povrchu. Krátké video dokazuje, že i když se vytvoří na fluorovaném křemíku s povrchovou nanostrukturou ledová kapka, na její odstranění stačí slabá síla. Ve vnějších podmínkách by to možná zvládl silnější vítr, nebo vlastní tíha větší ledové vrstvy na skloněném povrchu (Kredit: J. Aizenberg Lab.):



Využití v praxi si vyžaduje celou řadu dalších testů. Bylo by zajímavé vědět, jestli se povrchová struktura nemůže časem zanést nečistotami a tak ztratit požadované vlastnosti. Nebo jak se chová, když nejdříve začne na podchlazený substrát sněžit a pak pršet. I když se v tiskové zprávě uvádí, že by výsledek výzkumu mohl vyřešit enviromentální zátěž, které zimní solení komunikací přináší, je těžké si představit, že by někdo reálně uvažoval o použití fluorovaného křemíku se speciální povrchovou úpravou pro tyto účely. Vytvořit superhydrofobní, vysoce mechanicky odolný a zároveň dostatečně levný povrch zřejmě tak jednoduché nebude.


Vraťme se ale na okamžik k listům lotosu, které problém s mrazem řešit nemusí. Kratičké video detailně přibližuje, jakým důmyslným způsobem se i ve vodě dokážou udržet v suchu.

 


 

 

Zdroje: Harvard School of Engineering and Applied Sciences , ACS Nano

Datum: 15.11.2010 15:13
Tisk článku

Čti+ Jak želva letěla na zimu do teplých krajů -
 
 
cena původní: 29 Kč
cena: 28 Kč
Čti+ Jak želva letěla na zimu do teplých krajů


Diskuze:

goratex

Milan Závodný,2010-11-21 06:41:35

Už dlho hľadám zázračný materiál, ktorý by ma ochránil pred vodou, pravý goratex som ešte nemal - bunda stojí 2OO€ - ale tých falošných už bolo, a všetko na... Goratex má aj makroštruktúru zjavne drsnú, neviem si predstaviť taký drsný povrch lietadla. Paropriepustné látky majú proste iba miniatúrne diery v materiále, to zjavne nestačí. Oblek, v ktorom budete suchí, aj keď ste mokrí, som vymyslel už dávno, lenže dnes sa kupuje len "čína", a ten oblek by vďaka priekupníkom stál majland.

Odpovědět

No právě!

Jan Kment,2010-11-15 23:40:38

Proto mě u všech těch výzkumů a experimentů nejvíc zajímá metodika, ta je vždy inspirativní, pokud o ní píšete a zdaleka tak nepodléhá zubu času jako poněkud vysněné výsledky.
Velmi oceňuji, že sami autoři Osla bývají často poněkud skeptičtí ke zbožným přáním citovaných vědců a nenechají se unést jejich zápalem sebepropagace. (myslím to obecněji, vůči tomuto článku je to možná až moc přísné)

Odpovědět

Zatím

Jan Kment,2010-11-15 17:15:05

ta videa trochu působí jako reklama na prací prášek (a ten lotos vedle nich vypadá málem zlomyslně).
Např. Goratex (látka která údajně propouští, páru a nepropouští vodu) je už starý nějakých třicet let a já doposud nevím, v jaké míře to tak skutečně funguje a co je jen reklamní přikrášlení.
Nicméně, držím palce a věřím, že když se to opravdu povede, tak se to dovím, jen mě mrzí, že i když se to nepovede, dovím se možná také že to funguje. Kéž by pravda byla na dosah!

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2010-11-15 18:14:29

:) máte pravdu, každá tisková zpráva je vlastně reklama. I ve vědě. Vždyť jde o veřejné zdroje a daňoví poplatníci by měli mít možnost vědět...
Ale co všechno by mělo a co by nemělo v společnosti být!

Nicméně, i když je to zajímavé, ani zdaleka to není první, ani poslední super-hydrofobní povrch. Těch modifikací ještě bude, než se nějaké uplatní. A bude jich více, závisí od toho jaké další vlastnosti bude muset materiál a jeho povrch splňovat. Výzkum v tomto směru je rozsáhlý, zahrňující nejen samotné materiály a vhodné struktury, ale i technologie jejich vytváření. A pro komerční využití to bude muset být dostupné jak surovinou, tak náklady.

I když součástí propagační politiky jsou i sliby, budovy a dálnice, které uvádí originální zpráva z Harvardu, mě vzaly :). Představa, jak se pokrývají vrstvičkou čistého, fluorizovaného křemíku (na atomech povrchu jsou navázány atomy fluoru) se sofistikovanou nanostrukturou... no nevím :)

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace