" Предположим, поверхность полностью лишена трения." Сколько раз мы видели это утверждение на уроках физики в старшей школе? И сколько раз мы задавались вопросом, почему наши учителя так хотели, чтобы мы жили в мире фантазий? Теперь, благодаря группе ученых, известных кактрибологи, перспектива устранения трения между двумя взаимодействующими поверхностями быстро становится реальностью.
Это тоже делается интересными способами. Например, группа исследователей из Гарвардского университета изучила листья плотоядного растения-кувшина, которые имеют микроскопические гребни, удерживающие между собой слой жидкого нектара. Поверхность настолько скользкая, что насекомые, приземлившись на листья, соскальзывают и падают в глубокие кувшинообразные мешочки, где их поглощают ферменты. Вернувшись в лабораторию, исследователи воспроизвели скользкий склон растения-кувшина, создав случайную сеть водоотталкивающих наноштифтов и нановолокон с тефлоновым покрытием, а затем погрузив их в жидкость, богатую фтором. Жидкость образовала слой между наноструктурами, препятствуя протеканию воды и других материалов между ними и создавая почти антипригарную поверхность.
Что вам могут дать поверхности без трения? Что ж, мы все перевернули несколько яиц на сковороде с антипригарным покрытием, но это только вершина супергладкого айсберга.
10: Поверхности, устойчивые к бактериям
Биопленки - гобелены из микробов, таких как бактерии или грибы, растущие на твердом субстрате, - создают множество проблем для медицинских работников. По данным Национального института здоровья, на образование биопленок приходится 65 процентов всех микробных инфекций человека. Вы можете подумать, что придирчивая очистка - это решение проблемы, но биопленки упрямо сопротивляются очистке. Они также склонны игнорировать воздействие антибиотиков. Лучшее решение заключается в том, чтобы в первую очередь предотвратить прикрепление бактерий к субстрату. Здравствуй, поверхность без трения!
Биопленка начинает свою жизнь, когда несколько беззаботных микроорганизмов путешествуют по столешнице или хирургическому инструменту и прилипают либо с помощью клейких молекул адгезии, либо структур, известных какпилиПосле прикрепления, эта небольшая группа клеток секретируетвнеклеточное полимерное вещество, илиEPS, которое действует как цемент, удерживая клетки и их потомство на месте.. Но если вы можете прервать процесс прикрепления, вы можете остановить формирование биопленки.
Именно это и сделала группа ученых из Ноттингемского университета в Великобритании. Покрывая лабораторные поверхности и медицинские устройства, такие как катетеры, акрилатным полимером, подобным тем, которые используются в пластмассовой промышленности, исследователи смогли предотвратить попадание бактерий-первопроходцев. Результат: они обнаружили 97-процентное снижение охвата бактерией Staphylococcus aureus.
9: Бутылочки для приправ с антипригарным покрытием
В 1970-х годах Heinz построила целую рекламную кампанию вокруг своего сверхгустого, легкого на трение кетчупа. Кампания позаимствовала хит Карли Саймон "Anticipation" и восхваляла достоинства "вкуса, который стоит ожидания".
Очевидно, индустрия общественного питания не думает, что отходы стоят ожидания. Кетчуп, горчица, майонез и соус для барбекю, которые нельзя разлить по бутылкам, означают упущенную выгоду для владельцев ресторанов и семей, пытающихся увеличить свой бюджет на продукты. По данным Исследовательской группы Варанаси, группы инженеров-механиков и нанотехнологов из Массачусетского технологического института, ежегодно во всем мире выбрасывается около 1 миллиона фунтов (453 592 килограмма) прилипших соусов и заправок. Затем возникает проблема с большой крышкой, необходимой для извлечения приправ из бутылочек. Устранение необходимости в такой большой крышке уменьшит количество пластика, которое помещается в одну бутылку, что позволит ежегодно удерживать 25 000 тонн нефтепродуктов из потока отходов.
У той же помешанной на приправах команды Массачусетского технологического института есть решение: покрыть внутреннюю часть бутылок уникальным материалом, который предотвращает прилипание кетчупа, майонеза или любого другого типа соуса к поверхности. Большинство подобных покрытий содержат нанолубриканты, которые вы, возможно, не захотите принимать внутрь, но ребята из Кембриджа разработали безопасный для пищевых продуктов материал, который, по их словам, совершенно безвкусен и нетоксичен. Они называют егоLiquiGlide и описывают его как «структурированную жидкость» - твердую, как твердое тело, но скользкую, как жидкость. Смажьте внутреннюю часть бутылки с приправой жидкостью LiquiGlide, и содержимое выскользнет, как гусиные какашки.
8: Подводные лодки с антипригарным покрытием
Инженеры были одержимы проектированием подводных лодок более 200 лет, но они не смогли устранить одну из самых неприятных проблем -сопротивление трения, силу, которая противостоит движению вперед движение, когда вода прилипает к поверхности внешнего корпуса. По некоторым оценкам, на это «трение обшивки» приходится примерно 65 процентов лобового сопротивления подводных лодок.
Одно решение? Система выброса полимера. В такой системе полимер хранится в резервуаре, а затем выбрасывается через ряд портов по мере движения подводной лодки. Полимер растекается по поверхности и уменьшает взаимодействие молекул воды с поверхностью. К сожалению, система также увеличивает вес корабля.
Теперь у ученых может быть трюк получше: покрыть подводные лодки антипригарным покрытием, изготовленным с помощью революционной нанотехнологии. Материал не выглядит необычным невооруженным глазом. Но если вы посмотрите на него под микроскопом, вы увидите, что он содержит крошечные иглы, расположенные на расстоянии всего лишь пары миллионных долей метра друг от друга. Иглы лежат, как слой травы, на поверхности тефлона. Когда вода попадает на материал, она сталкивается с воздухом, находящимся в промежутках между иглами. И это делает материал чрезвычайно скользким - на 99 процентов менее липким, чем обычная тефлоновая поверхность без игл наноразмера.
Подводные лодки, покрытые нанотехнологиями, будут иметь гораздо меньше сопротивления трения и потребуют меньше топлива для движения. И, да, плащ из того же материала защитит вас куда лучше, чем самый дорогой плащ London Fog.
7: Противообледенительная система для самолетов
Крылья самолета обеспечивают значительную подъемную силу - до тех пор, пока они сохраняют заводскую форму. Однако покройте крыло даже тонким слоем снега или льда, и вы нарушите его способность удерживать самолет в воздухе. Фактически, по некоторым оценкам, нарастание льда может снизить подъемную силу на целых 25 процентов, поэтому наземные и летные экипажи так сильно беспокоятся о борьбе с обледенением во время авиаперелетов в зимнее время.
Проверенный метод удаления льда включает в себя трехэтапную стратегию. На первом этапе, при борьбе с обледенением, наземные службы аэропорта распыляют горячий раствор гликоля и воды на крылья самолета. Это растапливает существующий лед, но мало что делает для предотвращения образования нового льда. Для этого требуется противообледенительный этап и второй тип жидкости, который содержит больше гликоля и дополнительную добавку, чтобы она прилипала к поверхности крыла во время взлета. Как только самолет достигает крейсерской высоты, жидкости становятся менее эффективными в борьбе с замерзшими осадками. Пилоты реактивных самолетов решают эту проблему, перенаправляя часть тепла от двигателей на трубопроводы в крыльях. Пилоты винтовых самолетов полагаются на резиновые сапоги, которые надуваются и сдуваются, чтобы сбить лед с крыльев и хвоста.
Но что, если бы вы могли построить самолет с настолько гладкой поверхностью, что лед вообще не мог бы образоваться? Несколько типов нанотехнологий вскоре могут сделать это реальностью. Ученые из GE Global Research разработали нанотекстурированное супергидрофобное (или водоотталкивающее) покрытие, которое значительно снижает сцепление льда с поверхностями крыла. А команда из Университета штата Северная Каролина экспериментирует с антипригарным полимером, который работает вместе с эластичной подложкой. Полимер наносится на подложку, когда эластичный материал слегка растягивается. Когда напряжение ослабевает, подложка стягивает молекулы полимера в сверхплотную конфигурацию. Крылья самолета, покрытые антифрикционными полимерами, не поддаются покрытию чем угодно, даже льдом.
6: Стены, отталкивающие граффити
Маловероятно, что граффити-художники появятся в списке десяти самых разыскиваемых ФБР беглецов, но города и муниципалитеты очень серьезно относятся к этому виду вандализма. В 2012 году Чикаго потратил 4,1 миллиона долларов на свою программу по борьбе с граффити, а в 2011 году удалил 137 459 экземпляров рисунков, нарисованных баллончиком, с мостов, зданий и вывесок. В Лос-Анджелесе проблема - и необходимый для ее решения бюджет - еще больше. Это много денег и рабочей силы, которые можно было бы направить на другие социальные службы и городские программы.
Бригады по очистке от граффити используют различные методы для удаления незаконных произведений искусства губкой: закрашивание, удаление химикатов и промывка водой. К сожалению, некоторые из этих методов могут вызвать большее бельмо на глазу, чем сам вандализм. Войдите в стену, отталкивающую граффити, которая имеет антипригарный материал, который либо препятствует прилипанию краски, либо значительно облегчает ее удаление, поскольку краска не взаимодействует с защищаемой поверхностью. Ученые создали один из таких материалов, имитирующих листья цветка лотоса. Поверхность этих листьев покрыта сложным набором микроскопических гребней, покрытых воском. Гребни запирают воздух между собой и, в результате, вода, попадая на лист, образует отдельные капельки, которые просто скатываются. Стена или вывеска, покрытые таким материалом - наноструктурой, созданной в лаборатории, но вдохновленной природой - помешают художникам-граффити и, вероятно, сделают мэров городов очень и очень счастливыми.
5: Самоочищающиеся автомобили
Некоторым людям нравится мыть свои машины, но многие хотели бы, чтобы они выглядели как только что из автосалона без особых усилий. И не забывайте о воздействии на окружающую среду мойки автомобилей, которая истощает запасы воды и выбрасывает загрязняющие вещества на находящиеся под угрозой исчезновения водно-болотные угодья. Если бы наши машины сами себя чистили.
Благодаря некоторым исследователям из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах, мы можем быть ближе к вечно полируемому Prius. Ученые не изобрели совершенно новую нанотехнологию. Вместо этого они взяли существующий водостойкий продукт, который уже использовался на некоторых автомобилях, и улучшили его. Оригинальное покрытие работало, потому что в его поверхность были встроены нанокапсулы. Эти крошечные капсулы отталкивали воду и содержали чистящие средства или капли краски, так что, когда они разрывались, скажем, от царапины ключом, они высвобождали свое содержимое и «залечивали» дефект. К сожалению, капсулы имели ограниченный срок годности. Чтобы расширить самоочищающиеся/заживляющие свойства покрытия, голландские ученые изменили его наноструктуру таким образом, чтобы капсулы располагались на ножках. Когда одна комбинация капсулы/стебля нарушается, другой нижележащий стебель поднимается вверх и ориентируется на поверхности, чтобы восстановить заводскую отделку.
Автомобилям, оснащенным этим новым покрытием, потребуется немного больше, чем хороший дождь, чтобы смыть грязь и копоть. А птичий помет, разбрызганный на вашу дверь или капот, может уйти в прошлое.
4: Трубы без засоров
Розничные торговцы - не единственные люди, которые с нетерпением ждут дня после Дня Благодарения. Судя по всему, сантехники тоже любят Черную пятницу, которая, по крайней мере, по одному источнику, является прайм-таймом для забитых труб в ванной и на кухне. Хотя эти странные отношения кажутся немного загадочными (хотя мы уверены, что дядя Фред имеет какое-то отношение к ним), причины возникновения сабо известны уже много лет. Они начинаются, когда небольшое количество мусора прилипает к внутренней части трубы, а затем действует как ядро, на котором собирается другой материал. Например, если вы сливаете жир в кухонную раковину, жир прилипает к стенкам трубы, а частицы пищи прилипают к жиру. По мере того, как препятствие со временем увеличивается, вода скапливается за ним.
В доме будущего все трубы будут облицованы антифрикционным покрытием. Это предотвратит прилипание мусора и практически избавит от засоров. Многие коммерческие предприятия уже вложили средства в подобную технологию. Производители химической продукции, например, обычно используют трубки, покрытые политетрафторэтиленом или ПТФЭ. Вы можете узнать ПТФЭ по его более распространенной торговой марке - тефлону, тому же материалу, который покрывает антипригарные кастрюли и сковородки. При использовании в трубах и трубопроводах ПТФЭ предотвращает загрязнение и засорение. Он также сводит к минимуму сопротивление жидкости, что делает производственные условия намного более эффективными.
Пока у вас дома нет труб с тефлоновым покрытием, возможно, лучше отправить дядю Фреда собирать вещи. Или запаситесь вантузами и химическими очистителями канализации.
3: Корпуса лодок с защитой от ракушек
Если у вас нет морского судна, вы, вероятно, не будете терять сон из-за ракушек. Но для военно-морского флота, пристаней для яхт и коммерческих рыболовных судов это серьезная проблема. Исследование, проведенное в 2011 году исследователями из Военно-морской академии США, показало, чтобиообрастание - это причудливый термин, используемый для описания того, что происходит, когда маленькие морские ракообразные прилипают к корпусу или гребному винту и уменьшают скорость судна. эффективность - обходится ВМФ в 56 миллионов долларов в год или 1 миллиард долларов в течение 15 лет. И это только для одного класса кораблей - ракетных эсминцев типа «Арли Берк».
Большая часть этих затрат связана с процессом очистки и покраски, который существовал веками. Сначала корабль помещают в сухой док, затем рабочие соскребают ракушки с корпуса и лопастей гребного винта. Наконец, открытые поверхности обрабатывают краской, содержащей олово или медь. Металлы в краске токсичны для личинок ракушек, не позволяя им осесть и найти постоянный дом. Но краска со временем стирается, а это означает, что корабли нужно многократно чистить в течение всего срока службы.
К счастью, ученые нашли лучший подход. Узнав, что ракушки предпочитают гладкие поверхности, они создали микротекстурированный материал, содержащий крошечные пики и впадины размером от 1 до 100 микрометров. Затем они подвергли материал воздействию морской воды, наполненной моллюсками, чтобы измерить, насколько сильно произошло прикрепление. Они обнаружили, что, когда топография текстуры поверхности оставалась в диапазоне от 30 до 45 микрометров, оседание ракушек и их прикрепление уменьшались на 92 процента по сравнению с гладкими поверхностями. Исследование может привести к созданию первого антипригарного корабля будущего.
2: Антипригарная резинка
Если вы любитель жевательной резинки, особенно тот, кто живет в бетонных джунглях любого крупного города, пожуйте вот это: каждый раз, когда вы выплевываете кусок жевательной резинки на землю, вы в конечном итоге платите за это. в виде более высоких налогов. Да-да, соскребание жевательной резинки с тротуаров и улиц требует использования химикатов, пароочистителей, моек высокого давления и операторов, выполняющих грязную работу. В Чарльстоне, Южная Каролина, городские власти тратят 200 долларов в месяц только на то, чтобы три опоры линий электропередач в районе городского рынка были свободны от своенравных пыжей. А в Оушен-Сити, штат Мэриленд, два городских служащих проводят каждую осень три недели, убирая тротуары в районе из 14 кварталов рядом с променадом. Это тоже не новая проблема. В 1939 году в рамках кампании мэра Ла Гуардиа против жевательной резинки с Таймс-сквер было удалено более 20 000 комочков липкой массы.
Компания Revolymer, базирующаяся в Великобритании, работает над тем, чтобы эта конкретная проблема осталась в прошлом. Его ученые создали революционную резинку Rev7, которую можно легко удалить с различных поверхностей, включая мощеные тротуары, ковры, текстиль и одежду. Чтобы придать Rev7 антипригарные свойства, компания добавляет в основу жевательной резинки химическое вещество, которое является одновременно гидрофильным (водолюбивым) и гидрофобным (водоотталкивающим или маслолюбивым). Сродство полимера к маслу делает жевательную резинку мягкой и податливой, но ее притяжение к воде означает, что вокруг жевательной резинки всегда есть водяная пленка, даже если она не находится у кого-то во рту. Именно эта пленка воды позволяет кому-то снять Rev7 с любой поверхности.
Не то, чтобы это давало вам повод выплевывать жвачку, где и когда угодно. Мисс Мэннерс советует утилизировать все жевательные резинки, даже те, которые не имеют трения.
1: Купальники из акульей кожи
Хочешь плавать как акула? Тогда у вас должна быть кожа, как у акулы. Это кажется невозможным, но если вы наденете высокотехнологичный комбинезон, такой как LZR Racer от Speedo, вы станете на шаг ближе. В костюме используются полиуретановые панели для улавливания воздуха и сжатия тела, чтобы увеличить плавучесть костюма и уменьшить сопротивление. Но это только начало. Ткань LZR Racer покрыта гидрофобными наночастицами, которые отталкивают воду и уменьшают трение тела пловца. После того, как такие боди были представлены незадолго до Олимпийских игр 2000 года в Сиднее, Австралия, соревнующиеся пловцы побили множество мировых рекордов, что в конечном итоге привело к их запрету на Олимпийских играх 2012 года в Лондоне.
В конце концов, могут появиться еще лучшие костюмы - и они могут все больше и больше походить на настоящую акулью чешую, ребристую с продольными бороздками. Эта шероховатая поверхность уменьшает образование вихрей вдоль тела плывущей акулы, позволяя ей скользить по воде, как ракете почти без трения. Speedo продолжает экспериментировать с текстурами, вдохновленными акулами, чтобы улучшить дизайн своих купальников, даже если спортсмены-олимпийцы никогда не будут носить их на соревнованиях. Однако это не должно помешать вам облачиться во вторую кожу и обойти конкурентов в местном пуле.
Примечание автора: 10 безумных способов использования поверхностей, полностью лишенных трения
Вспомните Кларка В. Грисволда из «Рождественских каникул» National Lampoon: «Это новая некалорийная кухонная смазка на силиконовой основе, над которой работала моя компания. Это делает поверхность в 500 раз более скользкой, чем любое растительное масло». Кларк натирает смазкой свои тарелочные салазки и продолжает мчаться вниз по заснеженному холму, как придурок из ада. решения, завершающие эту статью.