Юный техник, 2014 № 06

РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО… Для чистоты одежды

Исследователи давно уже работают над созданием самоочищающихся волокон и покрытий. К концу ХХ века было предпринято несколько реальных попыток создать непачкающиеся материалы. А недавно американские химики создали покрытие, которое способно заставить любую поверхность отталкивать любую жидкость, пишет журнал Proceedings of the National Academy of Sciences.

Для демонстрации свойств этого материала ученые покрыли новым составом гусиное перо, и оно стало отталкивать даже легчайший жидкий углеводород — пентан. Между тем он смачивает даже тефлон.

В чем здесь хитрость? Гаррет Маккинли из Массачусетского технологического института вместе с коллегами создали сверхтонкую сеть из хитро переплетенных полимерных волокон. Эта сеть, накинутая на любую поверхность, делает ее несмачиваемой для всех жидкостей.

«В принципе, наносить текстуру, препятствующую смачиванию, можно будет и на одежду, и даже на стенки топливных баков ракетных двигателей, использующих для работы агрессивные химические компоненты», — утверждает Гаррет Маккинли.

Эта разработка вызвала новую волну интереса к так называемому «эффекту лотоса», рассказала недавно на президиуме Российской академии наук член-корреспондент РАН Людмила Борисовна Бойнович. Ученые Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина, где она работает, провели серию исследований так называемых супергидрофобных материалов.

Интерес к ним начался еще в ту пору, когда люди впервые заметили, что цветы лотоса, произрастающего в дельте Нила, остаются неизменно чистыми в самой грязной воде. «При ближайшем рассмотрении выяснилось, что при соприкосновении с поверхностью цветка капля воды принимает форму, близкую к сферической, и тут же скатывается, захватывая при движении все загрязнения», — пояснила Людмила Борисовна.

При дальнейшем рассмотрении эффекта исследователи установили, что супергидрофобность поверхности в природе свойственна многим растениям и даже насекомым. И тогда ученые попытались воссоздать подобный эффект в лаборатории. В конце концов, им удалось синтезировать несмачиваемые материалы.

Проверка показала, что обработка супергидрофобными материалами фасадов и стекол зданий делает излишним их мытье — первый же дождь или снегопад унесет с собой всю грязь.

Но в чем секрет таких материалов? Почему жидкости не держатся на их поверхности?

Дело в том, что вся поверхность покрыта своеобразным узором из выемок и бугорков, которые влияют не только на форму капли на поверхности, но и на направление действия капиллярных сил.

Именно этот геометрический аспект и использовали американские и российские ученые для создания покрытий, которым уже успели придумать новое название — омнифобные (всеотталкивающие).

На поверхности несмачиваемого материала жидкость скатывается в шарики.

Хотя секрет открытия лежал на поверхности, Маккинли и его коллеги оказались первыми, кому удалось определить зависимость механических свойств поверхности от 4 геометрических параметров, определяющих периодичность элементов с входящими углами, их размеры, сами углы и высоту текстуры. Только при их правильной комбинации получающаяся текстура оказывается способной отталкивать жидкости, прекрасно смачивающие ровную поверхность того же материала.

Отработав свою методику создания омнифобных поверхностей на обычных кремниевых пластинах, ученые приступили к созданию покрытия, которое можно нанести на практически любой материал. Поверхностная текстура в этом случае получается с помощью нитей полиметилметакрилата, заплетенных в сложную структуру с помощью электростатики. К этим нитям ученые добавили молекулы-многогранники из фторированных органических соединений — силсесквиоксанов.

Описанная методика создания несмачиваемых материалов — не единственная в своем роде. Так, технология, разработанная группой Джоанны Айзенберг, получила название SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces — несмачиваемые пористые поверхности, пропитанные жидкостью). Пористые покрытия, создаваемые с ее помощью, — настоящие панафобы (от англ. раnрhobiа — боязнь всего), поскольку плохо смачиваются практически любой жидкостью — водой, солевыми растворами, нефтью.

Как и раньше, идея нового материала была заимствована у природы — на сей раз у непентеса кувшинчикового, известного своим хищническим характером. Благодаря уникальным свойствам «цветка» этого растения — ловчего кувшина, образованного пластинкой листа, — севшее на него насекомое мгновенно соскальзывает внутрь, попадая в смертельную ловушку.

«Согласно недавним исследованиям, основную роль в захвате насекомых цветком играет так называемый перистом — структура у входа в кувшинообразную ловушку, — полагает научный сотрудник МГУ им. М. В. Ломоносова Мария Раскина. — Поверхность перистома содержит микроскопические впадины между соседними эпидермальными клетками — своеобразные поры, в которых находится смазка — вода или нектар. Вода может попадать туда во время дождя или вследствие конденсации влаги из воздуха. Нектар же выделяют многочисленные железы цветка». На этой смазке насекомое соскальзывает в ловушку.

Свойства SLIPS-покрытий делают их идеальными для использования в качестве покрытий нефте- и водопроводов, для борьбы с обледенением. Кроме того, прозрачность таких соединений в видимом и ближнем ИК-диапазонах, способность к самоочищению позволяют покрывать ими поверхности солнечных батарей, линз, различных датчиков, приборов ночного видения. Могут пригодиться они в борьбе с биозагрязнением поверхности медицинских приборов и инструментов. Панафобная натура SLIPS-материалов предопределяет их применение и в качестве защитных покрытий на порогах жилищ от насекомых, а также корпусов морских судов — от биообрастания.

Словом, можно ожидать, что вскоре на смену супергидрофобным материалам придут омнифобные и панафобные. И тому уже есть первые примеры.

Так текстура панафобных материалов выглядит под микроскопом.

На основе полученных знаний команда американских инженеров Мичиганского университета разработала инновационный материал, который может избавить автовладельцев от необходимости мыть машину. Покрытие также можно использовать для создания грязеотталкивающей одежды и водостойких красок, которые уменьшат сопротивление кораблей во время плавания. Материал, получивший название Superomniphobic, отталкивает шампуни, кремы, глину и даже чернила. Он состоит из смеси резиновых и пластиковых частиц, а также нанокубиков, содержащих углерод, фтор, кремний и кислород.

Похоже, что подобные нанопокрытия вскоре отправят в отставку и такую технологию, как стирка. Во всяком случае, американские военные недавно открыли тайну. Физик Куок Труонг из Натикского центра исследований, разработки и проектирования снаряжения военнослужащих армии США вместе с коллегами разрабатывает одежду, которая всегда будет оставаться чистой, что очень важно в полевых условиях.

И уж конечно, такой одежде весьма обрадуются мамы малышей, которых приходится переодевать по сто раз на дню. «Как отец четверых детей, я хорошо понимаю необходимость самоочищающейся одежды для подрастающего поколения, — говорит К. Труонг. — Так что когда мне предложили создать такую, я согласился с радостью».

Исследователь и в самом деле смог создать прочную ткань с двойной микро- и наноархитектурой. Секрет заключается в особом покрытии, которое крайне эффективно отталкивает воду, пыль, токсичные химикаты и прочие вещества.

Ткань Труонга уже испытывалась на полигоне в течение 10 суток по 15 часов в день. В результате около 70 % солдат заявили, что новую одежду следует как можно быстрее поставлять в войска. А специалисты подтвердили, что она полностью соответствует всем требованиям по долговечности, паропроницаемости, стойкости к истиранию и прочности на разрыв.

Что же касается футболки студента, с которой начат этот разговор, то подробности таковы. Она сделана из полиэстера, который был пропитан комбинацией нескольких химикатов, сделавших ее водонепроницаемой. Полученная поверхность отталкивает любую жидкость, будь то сладкая вода, кетчуп, пиво, чернила или вино. Причем сам изобретатель утверждает, что футболка на ощупь ничем не отличается от других товаров из магазинов одежды.