«Эффект лотоса»: волгоградские ученые победили ржавчину, наледь и грязь

Что связывает почти любые антенны, автомобили, ледяной дождь, пыль и ВолгГТУ? Ученые волжского университета изобрели такой тип покрытий, к которому очень неохотно «липнет» пыль, а вода и даже масло просто скатываются с них, потому на поверхности не могут образоваться не только пятна, но и другие «производные»: наледь и ржавчина. Защита личного авто от пыли, грязи, ржавчины, инея и голубей — узкое, но простое и точное представление о том, где это может быть полезно. Здания со сложными фасадами, различные антенны и радиотелескопы, закрытые смотровые площадки, глянцевые небоскребы, памятники в парках, солнечные батареи, уличные дисплеи и объективы камер видеонаблюдения — уже более широкое. А защита авиалайнера от обледенения уже не кажется чем-то вроде личного комфорта или вещи, от которой можно отмахнуться.

В весомой части фильмов о будущем (в тех, где нас не ждет постапокалипсис) все очень чистое, сияющее, без пыли. Что если это то будущее, в котором используют разработку ученых ВолгГТУ?

Возможно, что-то из этого вы однажды наблюдали либо вживую, либо через какую-либо передачу о природе — вода на листьях лотоса переливается, как будто ртуть. Поверхность листа не намокает, эффект не теряется со временем. Проливной дождь не «смывает» эту защиту и за несколько часов. Лист лотоса может пострадать от дождя только механически — скажем, если он все же не выдержит давления воды или от сопутствующих непогоде ветра или града. Таким же гидрофобным эффектом обладает капустный лист. Кочан построен таким образом, что практически вся вода, перекатываясь с листа на листок, попадает прямо под стебель растения. При этом капли охотно захватывают с собой пыль и легкие частицы грязи: происходит самоочищение.

Почти во всем мире этот эффект называется «эффектом лотоса», так как наблюдающих за этим растением оказалось намного больше, чем за капустным листом. Еще подобным свойством обладают крылья всех бабочек. Природа позаботилась о них, ведь если крылья намокнут или отсыреют — бабочка перестанет быть легкой и не сможет летать, но «эффектом бабочки» назвали совсем другое явление.

Казалось бы, все просто — нужно проанализировать, чем покрыты капустные и лотосовые листья, и воспроизвести это вещество в лабораторных условиях. Но при детальном рассмотрении поверхностей станет ясно, что они при достаточном увеличении совсем не гладкие. Если опустить лист капусты в воду, то он станет серебристым на вид. Если у вас нет микроскопа и капустного листа, то представление о том, как выглядит гидрофобная поверхность под водой, даст стакан с газировкой, стенки которого густо покрыты пузырьками углекислого газа. Стенки выглядят гладкими, но пузырьки все равно на них как-то держатся, а отрываются лишь когда несколько пузырьков соединятся в пузырь побольше — тогда вода вытеснит его вверх. Что случилось с тем местом, где были эти несколько пузырьков, которые объединились? Больше ничто не стоит на пути воды к этой маленькой площади. Она намокла.

А что если поверхность стакана сделать шершавой или структурированной, чтобы пузырьки могли дольше держаться на стенках? Например, возьмем структуру конструктора LEGO. Пузырьки будут лучше держаться в структуре даже не только в тех случаях, когда они под цилиндрическими выступами-креплениями, но и на них — площадь контакта больше по сравнению с гладкой поверхностью.

Но нужно пойти еще дальше. Представим существование настолько маленьких деталей LEGO, что из них под микроскопом можно собрать деталь конструктора привычного, обычного размера. При увеличении этой собранной детали мы увидим, что вся она покрыта выступами-креплениями. Собрав из микродеталей достаточное количество обычных деталей, мы можем собрать из них обычный с виду (невооруженным взглядом) стакан, со стенок которого пузырьки углекислого газа из газировки будут уходить совсем неохотно и долго — микроструктура не будет «отпускать» их, и воде будет трудно намочить поверхность. Именно так и работает капустный лист — при увеличении видно, что он, будто густая роща, покрыт какими-то конусами-«елочками». Но если рассмотреть такой конус в еще большем увеличении, то он и сам окажется «рощей» более мелких конусов. В такой сложной структуре воздуху легче задерживаться, и вода, не сумев вытеснить прослойку, просто скатывается или со временем испаряется.

Капуста все же намокает

Когда мы сказали, что эффект лотоса на капустном листе не исчезает, то имели в виду, что его можно наблюдать очень долго — несколько часов, вплоть до того, что лужица воды просто испарится. Но если провести длительные исследования в очень влажном помещении, в котором из-за насыщенности воздуха водяным паром капля не сможет испаряться, то выяснится, что ее контактное пятно с листом увеличивается, а уже через несколько часов гидрофобность падает — вода попала в структуру LEGO и вытеснила из нее воздух. «Конструктору» нужно просохнуть и таким образом «перезарядиться» — для возобновления эффекта атомы жидкости должны испариться, их место займет воздух. Кстати, капуста покрыта восковым слоем, который в сравнении с ее микроструктурой вообще не интересен для исследователей.

Открытие

Что в мире людей может нуждаться в «эффекте лотоса»? Практически все. Если сам человек может прикрыться зонтом, то для самолетов, солнечных батарей, антенн и радиотелескопов такое решение не годится. Да и зонт не обладает «эффектом лотоса» — при ежедневном использовании по назначению он довольно быстро придет в негодность, износится. Зонт противостоит воде лишь на физическом уровне без борьбы на наноуровне — это просто препятствие для дождя.

Над вопросами гидрофобности человечество вплотную размышляет уже два десятка лет, есть множество смелых и эффективных решений — например, сложную структуру «выжигает» на поверхности лазер. Что нового могут сказать волжские ученые в этой области?

«Якоря» и «елочки»

В качестве воска ученые решили использовать сложные сополимеры (на основе фторалкилметакрилатов и глицидилметакрилата), из которых можно построить на наноуровне цепочки, выполняющие роль «младших» елочек, которые в свою очередь являются строительным материалом для более «старшей» в этой иерархии структуры. Это блоки LEGO, построенные из еще меньших блоков LEGO. Соединения фторалкилметакрилатов и глицидилметакрилата заслуживают отдельного рассказа, но в нашем случае нужно лишь отметить, что одно из них очень гидрофобное, а второе хорошо сцепляется с первым на молекулярном уровне.

Секрет открытия также заключается в том, что для прикрепления цепочек к поверхности нужен посредник. Как в LEGO есть множество деталей, которые не прикрепить друг к другу напрямую, так и в этой технологии — нужно использовать частицу-якорь, которая закрепит «рабочую» цепочку на нужной поверхности. Для разных поверхностей можно использовать разные «якоря».

«Есть такое понятие, как угол смачивания, его значение специалисты используют для определения того, как капля воды будет вести себя при взаимодействии с твердым материалом. Чем меньше этот угол, тем больше капля воды растекается по поверхности и смачивает большую площадь. Следовательно, коррозионные процессы на такой поверхности идут быстрее. Если угол смачивания более 90 градусов, то капли воды меньше растекаются и смачивают меньшую площадь, следовательно, коррозия замедляется. Максимально водоотталкивающие (супергидрофобные) поверхности имеют угол смачивания от 150 градусов, а некоторые полимерные покрытия ученых вуза характеризуются контактными углами до 170», — рассказал доцент кафедры «Технология высокомолекулярных и волокнистых материалов» ВолгГТУ Виктор Климов РИА Новости.

Для простого понимания величин, о которых говорит Климов: угол смачивания — это угол между поверхностью, на которую упала капля, и стенкой капли. Если капля на поверхность упала просто в виде полусферы, то это угол приблизительно равный 90 градусам. Чем сильнее растекается капля, тем это число меньше — угол падает. То, что нам нужно — это угол смачивания около 160-170 градусов. Капли воды отскакивают от такой поверхности, как теннисные мячи от асфальта.

Ученые уже провели испытания на базе совместного российско-вьетнамского тропического центра: материалы выдерживают условия тропического климата без ухудшений качеств около полугода. Метод не меняет вес и окраску изделия или его яркость. Устойчив к кислотной и щелочной среде, к частой смене отрицательных и положительных температур.

Аналогия с капустой и лотосом в начале была очень точной в одном аспекте. Когда растения очищаются от пыли и грязи, их листья становятся более эффективными для фотосинтеза. Разработка волжских ученых может сыграть большую роль в «зеленой» энергетике — представьте себе огромные поля кристально чистых солнечных батарей, которые не нуждаются в чистке после дождя.