 Вода, ключ к жизни на нашей планете, иногда может быть одним из наших величайших врагов - особенно, когда дело доходит до ее взаимодействия с металлами. Влажный воздух приводит к образованию ржавчины и коррозии на металлических поверхностях, в то время как замороженная вода может делать некоторые металлы временно бесполезными, например, при обледенении крыла самолета.
Поэтому многие ученые искали способы, чтобы сделать металлы гидрофобными - обычно путем их покрытия химическими добавками. Исследователи из Университета Рочестера в Нью-Йорке утверждают, что они нашли более эффективный способ сделать металлы непроницаемыми для воды посредством их обработки лазерами.
Доктор Чунлей Го, профессор оптики и физики в Рочестере, занимается изучением последствий воздействия лазеров на металлические материалы в течение многих лет, ранее используя лазерные лучи, чтобы сделать металлы гидрофильными, чтобы они привлекали воду. Теперь, Го и его коллега Анатолий Вороев сделали обратное - они выяснили способ использования коротких импульсной лазеров высокой интенсивности для изменения структуры поверхности металла. Результатом стал высоко водоотталкивающий металл.
«Когда вы излучаете короткий лазерный импульс на металлическую поверхность, он превращает гладкую поверхность металла в высоко структурированную, покрытую множеством микро- и нано-структур», объясняет Го. «И эти структуры имеют различные водоотталкивающие свойства».
Преобразование заключается в мощности лазера. Го и Вороев обрабатывают поверхность металла лазером только на фемтосекунду; это одна квадриллионной секунды. Но лазер высокой интенсивности является настолько мощным, что в течение этого короткого промежутка времени, он производит примерно такое же количество энергии, как и вся электросеть Северной Америки. Это огромное количество тепла и энергии значительно изменяет металл, что приводит к образованию мини-структур на поверхности.
«Если разместить новую металлическую поверхность под высокомощным микроскопом, можно увидеть, что она имеет иерархическую структуру», говорит Го. «Есть микро-масштабные группы, и на верхней части микрогруппы есть нано-структуры. Они выглядят, как облако на нано-масштабе, с большим количеством выступов и провалов».
По словам Го, этот способ превращения гидрофобных металлов превосходит такие химические покрытия, как тефлон, несколькими способами. Прежде всего, эти создаваемые лазерами металлы отталкивают воду лучше, чем любой вид пальто. С помощью этих лазерных металлов, угол наклона всего 5 градусов достаточен для того, чтобы вода могла с них соскальзывать.
Кроме того, этот лазерный метод не требует каких-либо дополнительных ингредиентов. Когда тефлон нагревается, оно начинает разлагаться и отсоединяться от металлической поверхности. Но металлические преобразования Гуо не являются временными; лазерный луч принципиально изменяет их структур. «Эта водоотталкивающая структура присуща нашей металлической поверхности», говорит Го. «Это не покрытие, так что мы не должны беспокоиться об его состоянии в течение долгого времени».
Исследовательская группа предполагает ряд приложений для этих металлических материалов. Металлы являются некоррозионными и остаются прочными в течение длительных периодов времени, и они могут, к примеру, предотвратить образование льда на автомобиле или крыле самолета. Даже корабли становятся быстрее с этими материалами; корпус, построенный с гидрофобными металлами, может уменьшить трение воды и сопротивление на море.
Но что еще более важно, подобные металлы могут найти применение в развивающемся мире. Гидрофобные металлы могут оставаться чистыми гораздо дольше, не требуя много воды, чтобы смыть грязь. Исследователи проверили это, бросая частицы пыли на кусок их металла, наблюдая, как несколько десятков капель смогли очистить его от всей грязи. Это особенность самоочистки может быть очень полезно для поддержания в чистоте туалетов в развивающихся странах, где не хватает чистой воды.
«Мы очень рады применениям этой гидрофобной поверхности для предотвращения загрязнения воды», говорит Го. «Если вы не позволите воде держаться на поверхности, вода, содержащая микробы и биоматериалы, не сможет удержаться на поверхности, сохраняя ее в чистоте».
Тем не менее, Го-прежнему потребуется определенный прогресс, прежде чем эти металлы могут перейти к массовому производству. Для того, чтобы создать кусок гидрофобного металла площадью в 1 квадратный дюйм, потребуется не менее часа лазерной обработки. Так что, пройдет некоторое время, прежде чем мы увидим водостойкие автомобили и металлические туалеты.
|
