Найдено средство против ледяных дождей

Американским ученым удалось разработать материал, который отталкивает все попавшие на него капли воды. Это вещество ученые надеются использовать для создания не подверженных обледенению покрытий. О необходимости такой разработки особенно активно заговорили после серии ледяных дождей, обрушившихся этой зимой на самые разные районы нашей планеты.

Материалы, которые не подвержены обледенению, были бы очень востребованы в авиастроении, техническом обслуживании автомобильных дорог и линий электропередач, строительстве и во многих других областях человеческой деятельности. О необходимости разработки таких веществ особенно активно заговорили после серии ледяных дождей, обрушившихся этой зимой на самые разные регионы нашей планеты (в России это стихийное бедствие случилось в середине декабря прошлого года). Последствия этого явления в виде обледенелых проводов и ветвей деревьев, "катков" вместо улиц и перебоев с электроэнергией пришлось ликвидировать, как мы помним, достаточно долго.

Без сомнения, наличие у людей материалов, препятствующих образованию льда на твердых поверхностях, могло бы значительно облегчить ситуацию. К сожалению, такие вещества пока еще не созданы, а существующие методы борьбы с обледенением либо очень энергоемки, либо наносят вред окружающей среде.

Но вот недавно американские ученые из Висконсинского и Гарвардского университетов, исследовав динамику столкновения капель воды с различными холодными поверхностями (температура меньше 0°C), предложили идею, как можно преодолеть это природное явление. Суть их предложения заключается в следующем: если использовать сверхгидрофобные вещества (сильно отталкивающие воду) с искусственно созданными на их поверхности наноструктурами, можно предотвратить изначальный рост льда на них и избежать обледенения.

Для того, что бы лучше понять предложение американских физиков, нужно вспомнить сам процесс образования льда на твердых поверхностях. Представим себе, что на абсолютно гладкую поверхность материала попала капля воды. Сразу же между водой и поверхностью будет возникать межмолекулярное взаимодействие, которое называется смачиванием. Однако данное смачивание на разных типах поверхности будет приводить к разным результатам.

Читайте также: Наноасфальт избавит от пробок?

Фото: AP

В одном случае силы, действующие на каплю со стороны поверхности будут больше, чем те, которые "скрепляют" молекулы воды в пределах капли между собой. В этом случае капля будет растекаться по поверхности. Происходит это потому, что взаимодействия капли с поверхностью, как и многие другие физические явления, обусловлены принципом минимума энергии, то есть капля стремится принять форму с минимально возможным значением энергии.

Основные "источники" энергии капли в данном случае (если она не очень большая, иначе нужно учитывать еще и силу тяжести) — взаимодействие молекул воды между собой и взаимодействие поверхности с близлежащими молекулами воды. Если сила межмолекулярного взаимодействия между молекулами воды внутри капли слабее взаимодействия между молекулами воды и поверхности, то капле энергетически выгодно растечься. Так возникает явление гидрофильности.

Однако бывает и так, что сила, которая "скрепляет" молекулы воды внутри капли больше, чем сила, с которой они контактируют с поверхностью. Тогда капле выгоднее иметь форму, близкую к шару. В этом случае реализуется гидрофобность. Одним из ее вариантов является сверхгидрофобность — явление, при котором молекулы воды практически не обращают внимания на силы, действующие со стороны поверхности. Для обеспечения минимума энергии капли в этом случае молекулам воды лучше всего взаимодействовать только между собой.

В природе на самом деле известно достаточно много гидрофобных поверхностей — например, таковые имеются на лапках клопа-водомерки или на лепестках многих "водобоязненных" растений, вроде тропического цветка таро (Colocasia esculenta). Но вот людям до последнего времени не удавалось создать ничего подобного. Хотя исследователям достаточно давно удалось выяснить, что достаточно сильными гидрофобными свойствами обладают поверхности, изготовленные из фторированного кремния. Однако даже они не являются сверхгидрофобами.

Американские ученые решили снабдить данные кремниевые подложки специальными наноструктурами в виде сеточек. Дальше они провели серию экспериментов, в которых наблюдали падение капель объемом 15 мкл (с радиусом в несколько миллиметров) с высоты 10 см на кремниевую подложку, температура которой варьировалась от +20°C до -35°C. Температура капель также не была константой и менялась в пределах от -5°C (переохлажденная капля) до +60°C.

В результате данного эксперимента выяснилось, что снабженная наносеточкой кремниевая подложка стала сверхгидрофобом. Запись эксперимента на видеокамеру показала, что после соударения с поверхностью капли настолько быстро отскакивают от нее, что не успевают затвердевать. Таким образом, никакого обледенения поверхности не происходило даже при низких температурах.

Фото: AP

Далее ученые провели контрольный эксперимент с той же самой кремниевой поверхностью, но уже без наноструктур. Выяснилось, что капли прилипали к такой подложке, и, хотя при этом и испытывали сильное сужение (то есть не растекались по поверхности, а оставались на ней в форме шариков), но, тем не менее, сохраняли ненулевую площадь контакта и рано или поздно замерзали при любой отрицательной температуре (за несколько секунд, если температура меньше -10°C). И хотя, конечно же, непрерывного слоя льда на такой поверхности не образовывалось, все-таки в конце эксперимента она оказалась вся покрыта мельчайшими ледяными горошинками.

Из этого физики сделали вывод, что сверхгидрофобом кремниевую подложку сделали именно наноструктуры. Далее исследователи стали изучать свойства наноструктур, имеющих несколько другую форму. Эти исследования показали, что при наноструктурах, имеющих так называемую "закрытую" геометрию — например, в виде кирпичиков или пчелиных сот, поверхность обладает самой сильной сверхгидрофобностью. Максимальное давление, при котором она сохраняет свои "водоотталкивающие" свойства достигает 40-60 атмосфер. Это эквивалентно давлению, которое оказывали бы капли, падающие на эту поверхность со скоростью 90-135 м/с.

Итак, способ предотвратить обледенение твердых поверхностей, наконец-то был найден. Теперь исследователи ломают голову над тем, как изготовить сверхгидрофобное покрытие большой площади, и сохранит ли оно свои "водоотталкивающие свойства". Ибо, как известно, то, что оказывается эффективным в микромире, не всегда работает в макромире. Будем надеяться, что у исследователей это получится. И тогда люди навсегда забудут о ледяных узорах на стеклах, замерзших проводах и гололедице на асфальте…