Vědci vytvořili povrch, který je odolný proti vodě a zamlžování. Inspiraci při jeho vývoji našli u zástupců hmyzí říše.
Voda při kontaktu s povrchem tvoří kapky tvaru korálku či drobné kapičky, jejichž rozložení se odvíjí od smáčivosti daného povrchu. U vodomilných (hydrofilních) materiálů mívají kapky co nejtěsnější kontakt s povrchem. Naopak na hydrofobních (vodoodpudivých) površích voda tvoří kuličky. To, nakolik je daný povrch dobře smáčivý, určuje tzv. kontaktní úhel, který svírá hrana kapičky s povrchem přímo pod ní. Pokud je kontaktní úhel 180°, povrch je nesmáčivý, pokud je naopak 0°, jde o povrch dokonale smáčivý. Kontaktní úhel větší než 160° potom v praxi znamená, že jde o povrch superhydrofobní, který silně odpuzuje vodu.
Superhydrofobní vlastnosti jsou dány chemickými poměry na povrchu a také strukturou povrchu. Materiály s určitou povrchovou strukturou mohou vodu odpuzovat až do té míry, že několikamilimetrové kapičky od povrchu odskakují. Kapky jsou příliš velké na to, aby pronikly povrchovou strukturou, proto zůstávají na povrchu útvarů tvořících povrchovou strukturu a tam jsou nadnášeny vzduchovými polštářky. Ve výsledku pak povrch zůstává v podstatě suchý. Mnoho takových povrchů však selhává, pokud je vystaveno specifickým vnějším podmínkám, jako je například mlha nebo vysoká vlhkost. V takovém případě vlhkost kondenzuje v podobě mikrokapiček, jejichž rozměry jsou srovnatelné s prvky povrchové struktury. Jemné kapičky tvoří jádra a rostou podél prvků povrchové struktury. Tyto kapičky uvíznou na povrchu podobně jako rosa, akumulují se a přitahují i větší kapky. Výsledkem je mokrý povrch.
Zatímco uměle vyrobené materiály takovým nedostatkem často trpí, příroda už si s problémem dávno poradila. Mouchy, noční můry a řada brouků má na svém těle povrchy s různými miniaturními strukturními prvky, které jim v podstatě pomáhají přežít. Například krunýře některých živočichů odpuzují olej a křídla cikád mají samočisticí schopnosti, a navíc se nezamlžují. Právě to inspirovalo francouzské a americké vědce při vývoji nových povrchů. Na křídlech cikád jsou drobné nanokužely, které povrch křídel zdrsňují a způsobují, že kapky vody od něj odskakují – při spojení dvou kapek totiž dochází k účinné přeměně povrchové energie na energii kinetickou.
Francouzský tým studoval tyto mechanismy na umělých površích, které imitovaly povrch křídel cikád. Vědce zajímal hlavně přesný tvar a rozměry nanokuželů. K vytvoření povrchových struktur použili metodu původně vyvinutou v Brookhaven National Laboratory. Technologie využívá blokových kopolymerů, jejichž řetězce jsou tvořeny dvěma nebo více bloky monomerů z různých molekul. Tyto kopolymery mají schopnost samouspořádávání do obrazců v rozměrech řádu nanometrů. Aby vytvořili požadovaný strukturovaný povrch, pokryli vědci odleptaný křemíkový povrch těmito hydrofobními molekulami. Podmínky imitující mlhu pak vytvořili nakapáním horké vody na studený povrch, což způsobuje, že se některé kapky vody vypaří a kondenzují v podobě mikrokapiček na podpovrchových nerovnostech povrchu. Nakloněním substrátu mohli změřit hmotnost kapek, které se začaly shromažďovat na spodním okraji. Tato veličina udává, kolik zkondenzovaných mikrokapiček se navázalo na větší kapky a jaká je vodoodpudivost povrchu. Optickým mikroskopem bylo možno pozorovat i formování kapek.
Studie přinesla dva klíčové výsledky. Vědci zjistili, že menší nerovnosti na povrchu znamenají větší schopnost nezamlžovat se a že kužely jsou výhodnější než válce. Voda, která kondenzuje na studených nanokuželích, je vypuzována nad očekávání účinně. Z pozorování vyplynulo, že všechny textury jsou zpočátku pokryty mnoha mikrokapkami, ale válce jsou za čas pokryty vodou. Kužele však schnou způsobem podobným jako na křídlech cikády. Jelikož kapky nelpí na povrchu pevně, když se dvě spojí dohromady, získají dostatek energie k odpuzení od povrchu. Kapky o průměru 1,5 mikrometru jsou od povrchu odpuzeny, i když se obecně uvádí, že se to neděje pro kapky menší než 10 mikrometrů.
Vodoodpudivé materiály, které lze používat v mlze, by mohly mít širokou škálu uplatnění, ať už jde o čelní skla aut, zrcadla či další výrobky, které musejí odolávat korozi a mlha jim vadí. To, zda budou uměle vyrobené materiály skutečně stejně účinné jako ty přírodní, však vědci budou muset ještě řádně otestovat.
Původní práce byla uveřejněna v Nature Materials.
Mohlo by vás zajímat:
Vědci
prokázali existenci nové kvazičástice
Vědci
vyvinuli metodu, jak těžit uran z mořské vody
Nové
využití fotoakustického jevu
Vědci
vyvinuli nový materiál, který dokáže blokovat symetrii pohybu