Инженеры создали алюминиевые структуры, способные удерживать воздушные прослойки, что обеспечивает им исключительную плавучесть даже в экстремальных условиях.
Черпая вдохновение в природных механизмах — водоотталкивающих ворсинках пауков-серебрянок и огненных муравьев — специалисты из Рочестерского университета применили принципы супергидрофобности для разработки уникальных непотопляемых трубок из алюминия.
По словам разработчиков, им удалось найти элегантный способ фиксации воздушных пузырьков внутри металлических полостей, что делает конструкцию практически неуязвимой для погружения.
Несмотря на малый диаметр (около 5 мм), эти элементы могут служить модулями для сборки масштабных объектов: от глубоководных платформ до систем генерации энергии из энергии морских волн.
«Мировой океан остается колоссальным, но пока малоизученным ресурсом», — отмечает Чунлей Го, профессор оптики и физики Рочестерского университета. Результаты его изысканий были представлены в недавнем выпуске журнала Advanced Functional Materials.
Впрочем, технология может найти применение и в быту, например, при проектировании сверхнадежной плавучей мебели для зон отдыха.
Конструкции сохраняют плавучесть даже при серьезных механических повреждениях или сквозных пробоинах.
«Они не пойдут ко дну, — уверяет доктор Го. — Мы подвергли прототипы жестким испытаниям в агрессивных средах».
Андреас Остендорф, эксперт в области прикладных лазерных технологий из Рурского университета, назвал проект «крайне перспективным». По его мнению, эта концепция может лечь в основу множества прикладных решений в различных отраслях промышленности.
Хотя алюминий считается легким металлом, его плотность почти втрое превышает плотность воды, из-за чего обычный металлический фрагмент неминуемо тонет.
Традиционные суда держатся на воде за счет объема вытесненной жидкости и воздуха внутри корпуса, однако при нарушении герметичности они обречены. В случае же с новыми трубками ситуация иная.
Для достижения эффекта непотопляемости ученые применили метод химического травления, создав на поверхности металла микроскопический рельеф. Силы поверхностного натяжения препятствуют заполнению этих микропор водой — капли просто соскальзывают, не увлажняя поверхность.
Данный феномен, именуемый супергидрофобностью, широко встречается в живой природе. Так, пауки-серебрянки используют удерживаемый слой воздуха для дыхания под водой, а огненные муравьи формируют из своих тел живые плоты, спасаясь от наводнений.
Технология водоотталкивающих покрытий не нова, но ее практическое использование до недавнего времени было ограничено узкими нишами, такими как антикоррозийная защита медицинских имплантатов.
Доктор Го стремился найти для супергидрофобных материалов менее очевидное и более масштабное применение.
Ранее его команда экспериментировала с плавучими конструкциями из параллельных дисков, но те теряли воздушную прослойку при наклоне. Переход к трубчатой форме с внутренними перегородками решил проблему: теперь воздушная пробка надежно заблокирована внутри, а супергидрофобная поверхность препятствует проникновению воды.
«Это чрезвычайно стабильное инженерное решение», — подчеркивает доктор Го.
Испытания в соленой воде и среде, насыщенной микроводорослями, подтвердили долговечность разработки: внутренняя часть трубок остается сухой, что исключает коррозию и биообрастание. Даже сквозные отверстия не лишили изделия плавучести.
Математическое моделирование подтвердило, что многослойные сборки из таких трубок способны выдержать даже штормовые условия открытого моря.
Доктор Остендорф добавил, что хотя проект требует дальнейшей проверки в полевых условиях, сам принцип прост и обладает отличным потенциалом для масштабирования.
Коллектив доктора Го на протяжении десятилетий изучает модификацию материалов через создание наноструктур. Еще в 2008 году они научились менять оптические свойства металлов с помощью лазера, придавая им новые оттенки.
В результате удалось получить алюминий с блеском золота и титан глубокого темно-синего цвета.
Параллельно ученые работали над супергидрофильными поверхностями, которые, напротив, активно притягивают влагу. Такие структуры могут эффективно отводить тепло от мощных процессоров.
Кроме того, доктор Го изучает возможности термоэлектрических генераторов на базе «черных металлов», способных преобразовывать избыточное тепло от солнечного света или других источников в электроэнергию.
«Это позволяет утилизировать любую тепловую энергию, которая сейчас тратится впустую, — поясняет ученый. — Например, устанавливая такие устройства рядом с выхлопными системами автомобилей».
