Учебная работа. Размерные эффекты при смачивании. Эффект лотоса

Казань 2014

Содержание

жидкость гидрофильность экран капля

Введение

1. Основная часть

2. Явление гидрофильности и гидрофобности

3. Взаимодействие поверхности с жидкостями различной природы

4. Эффект лотоса

5. От «Наноковра» к «Наногазону»

6. Танцующая капля

7. «Водянистый» экран и видео на «бумаге»

8. Капля в «нанотраве»

Заключение

Перечень литературы

Введение

Явление смачивания играет гигантскую роль в жизни почти всех растений и звериных, помогая им как добывать воду, так и защищаться от ее излишков. к примеру, водоплавающие звериные и птицы могут в буквальном смысле выходить сухими из воды, а колючки неких кактусов способны всасывать воду прямо из воздуха. Человек постоянно старался не отставать от братьев собственных наименьших, с древних времен используя законы природы в собственной хозяйственной деятельности. В крайние годы возник целый ряд новейших перспективных технологий, основанных на эффекте смачивания.

Смачивание, поверхностное явление, наблюдаемое при контакте воды с жестким телом в присутствии третьей фазы-газа (пара) либо иной воды, которая не смешивается с первой (так называемое избирательное смачивание). Соответствующая изюминка смачивание-наличие линий контакта 3-х фаз (полосы смачивание).

Главные термодинамические свойства смачивания — сбалансированный краевой угол смачивания q0, работа адгезии Wa, теплота смачивания qW. Сбалансированный краевой угол смачивание определяется наклоном поверхности воды (к примеру, капли) к смоченной ею поверхности твердого тела; верхушка угла находится на полосы смачивание Сбалансированный краевой угол определяется уравнением Юнга:

cosq0 = (ss-ssl)/ssl,

где ss и ssl-соответствующе удельные вольные поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и в контакте со смачивающей жидкостью, sl-поверхностное натяжение воды. При наличии на поверхности твердого тела тонких смачивающих пленок шириной h краевой угол смачивание определяется, согласно теории Фрумкина-Дерягина, уравнением:

где П — расклинивающее давление.

Работа адгезии

Wa = ss + sl — sls (уравнение Дюпре).

Она охарактеризовывает работу, нужную для изотермического отделения слоя смачивающей воды с единицы поверхности твердого тела (см. Адгезия). Теплота смачивание

qW = Hsl — Hs,

где Hsl и Нs-энтальпии, отнесенные к единице поверхностей раздела жесткое тело-жидкость и жесткое тело-газ. Она наз. также теплотой иммерсии (погружения).

1. Основная часть

Различают три варианта контактного взаимодействия жидкостей с поверхностью жестких тел:

1) несмачивание, когда 180° > q0 > 90° (напр., ртуть на стекле, вода на парафине);

2) ограниченное смачивание, когда 90° > q0 > 0° (напр., вода на оксидах металлов);

3) полное смачивание, когда капля разливается в узкую пленку (ртуть на свинце).

Измеряемые на практике краевые углы q нередко различаются от термодинамических сбалансированных значений q0. Эти расхождения обоснованы основным образом недостатками поверхности твердого тела: шероховатостями (микрорельеф), хим. неоднородностью (гетерогенность), наличием пор, локальными деформациями поблизости линий смачивание (они довольно приметны при смачивании тел с малыми модулями упругости). Шероховатость и др. недостатки жесткой поверхности приводят к тому, что краевой угол смачивание зависит от условии формирования, к примеру при натекании воды на «сухую» подложку и при оттекании воды с за ранее смоченной поверхности; это-гистерезис смачивание Краевые углы смачивание меняются также со скоростью натекания воды.

Смачивание оказывает существенное воздействие на почти все технологические и природные процессы. Смачивающие воды образуют в капиллярах вогнутые мениски, по этому жидкость поднимается на высоту

L = 2sl cos q/rgr

(r — плотность воды, g — убыстрение вольного падения, r-радиус капиллярной трубки).

При несмачивании появляется выпуклый мениск и имеет пространство капиллярная Смачивание влияет также на степень перегрева и переохлаждения при фазовых переходах (кипении, конденсации, плавлении, кристаллизации). Это соединено с тем, что работа гетерогенного образования критичного эмбриона новейшей фазы максимальна при полном несмачивании, а при полном смачивании она мала. А именно, для предотвращения образования тромбов в кровеносных сосудах материалы для протезирования сосудов не должны смачиваться кровью (внутренней средой организма). Важную роль играет смачивание при флотационном обогащении и разделении горных пород, вытекании нефти из пластов, отмывании загрязнений, нанесении пленок и покрытий, шайке металлов и остальных материалов, спекании порошков, течении воды в критериях невесомости и др.

способы регулирования смачивание основаны основным образом на изменении удельных поверхностных энергий ss и ssl, также поверхностного натяжения воды sl. Физический способ основан на электронной поляризации, связанной с зависимостью поверхностного натяжения электрода от его электронного потенциала (электрокапиллярность), действии электронных и магнитных полей, изменении температуры, обработки поверхности жестких тел ионизирующими излучениями. Более всепригодный способ регулирования смачивание состоит в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ). Растворение ПАВ в воды уменьшает ее поверхностное натяжение; вкупе с тем вероятна адсорбция ПАВ на границе жесткое тело-жидкость с подходящим конфигурацией поверхностной энергии ssl. Подготовительная выдержка образцов данного твердого материала в растворе ПАВ приводит к образованию на его поверхности адсорбционных слоев, которые могут отчасти либо на сто процентов «экранировать» ее. Такое преобразующее действие дозволяет отменно поменять нрав контактного взаимодействия воды с жестким телом. Можно, к примеру, гидрофобизировать гидрофильные материалы либо, напротив, гидрофилизировать гидрофобные подложки. Главные закономерности конфигурации смачивание при помощи ПАВ и использования этих эффектов в разных технологическх действиях (флотации, полиграфии, моющем действии и др.) обусловлены в трудах П.А. Ребиндера.

Панафобные покрытия на замену гидрофобных

Несмачиваемые природные поверхности можно следить у растений и насекомых. Это, к примеру, листья настурции, аквилегии, крылья бабочек, волоски на теле аква жуков, ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология) шёлковых гнёзд неких пауков. Но хрестоматийным считается «эффект лотоса».

Набросок 1. «Шипы» на замороженных и высушенных листьях лотоса под электрическим микроскопом.

Высочайшая плотность «шипов» на поверхности и маленький поперечник обеспечивают супергидрофобные характеристики растения. фото Вильгельма Бартлотта (W. Barthlott).

Понятие «эффект лотоса» ввёл германский ботаник Вильгельм Бартлотт в 1990-х годах, в первый раз описавший микроструктуру поверхности листьев цветка.

Поверхность листа лотоса содержит типичные шипы размером в несколько микрометров, состоящие из гидрофобных веществ (воска и др.). Благодаря такому изумительному строению поверхности вода, попадающая на листья, не разливается, а «садится» на шипы в виде шарообразных капель. Тем обеспечивается существенное понижение площади контакта воды с поверхностью листа. Она составляет наименее 1-го процента всей площади капли, а краевой угол смачивания может достигать 170°. В итоге при мельчайшем наклоне вода скатывается с листа, захватывая при всем этом частицы пыли и грязищи. Умопомрачительно, но даже если опустить лист лотоса в замутнённую воду, а потом вытащить, он остается без одного пятнышка.

Набросок 2. Краевой угол смачивания (г) гидрофобной (не смачиваемой водой) поверхности наиболее 90°, гидрофильной (смачиваемой водой) — меньше либо равен 90°

На базе «эффекта лотоса» сделаны материалы с очень низкой смачиваемостью водой — супергидрофобные материалы. Их разработкой занялись ещё в 70-х годах прошедшего века. 1-ые возникли в 1986 году — это были перфторалкильные и перфторполиэфирные материалы, созданные для работы с хим и био жидкостями. Позднее были сделаны и остальные материалы с очень низкой смачиваемостью.

В 2007 году С. Ванг и Л. Янг из Института химии Китайской академии (Пекин) в статье «Definition of superhydrophobic states» («Определение супергидрофобного состояния»), вышедшей в журнальчике «Advanced Materials», уточнили это понятие. Формально материалы-супергидрофобы различаются от гидрофобных значениями угла контакта капли воды с поверхностью (он же краевой угол смачивания) и угла скатывания. К супергидрофобным относят материалы, у каких контактный угол превосходит 150°, а капля скатывается при наклоне поверхности наименее чем на 10°.

Варьируя условия получения и хим состав материала, исследователи разработали покрытия с разными степенями смачивания. Тем были решены некие принципиальные прикладные задачки. В качестве примеров можно именовать защиту городских спостроек от загрязнений и разрушения при помощи водоотталкивающих покрытий, защиту одежки и обуви от воды, защиту металлов в критериях увлажненной атмосферы.

Одно из самых смешных применений супергидрофобных покрытий предложили сотрудники группы Сирила Дуэса из Лионского института. Наверное любой сталкивался с тем, что струйка чая либо воды льётся, скользя вдоль носика, и заместо чашечки оказывается на скатерти. Французские материаловеды показали макет супергидрофобного чайника, лишённого этого распространённого недочета. «Волшебство» чайника разъясняется наличием наноструктурированной гидрофобной наружной поверхности носика. Её краевой угол смачивания близок к 180°, что принуждает проливающиеся капли практически отскакивать от сосуда.

Струя воды из чайника с гидрофильной поверхностью стекает по носику (фото вверху). Супергидрофобный носик решает неприятную для хоть какой хозяйки делему (фото понизу). Фото Лидерика Боке (Lyderic Bocquet et. al., Лионский институт)

Набросок 3. Гидрофильная поверхность

Необходимо отметить, что все новые разработки в области сотворения супергидрофобных поверхностей тесновато соединены с развитием новейших способов получения микро- и наноструктурированных покрытий — предмета активной работы почти всех исследовательских центров и институтов. Но большая часть этих работ пока остаются на стадиях лабораторных испытаний и сотворения прототипов. Их удачной коммерциализации препятствуют неудовлетворительная олеофобность (способность к «отталкиванию» молекул жиров и масел), непригодность к работе в критериях завышенных механических нагрузок и температур, также высочайшая себестоимость. Но не так давно исследователи из Виссеновского института биоинженерии при Гарвардском институте (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, США (Соединённые Штаты Америки — По-прежнему, мысль новейшего материала была взята у природы — на этот раз у непентеса кувшинчикового, известного своим хищническим нравом. Благодаря неповторимым свойствам «цветка» этого растения — ловчего кувшина, образованного пластинкой листа, севшее на него насекомое одномоментно соскальзывает вовнутрь, попадая в смертельную ловушку.

Непентес относится к насекомоядным растениям, приспособившимся к ловле и перевариванию насекомых. Так они добывают для себя доп азот для синтеза собственных белков.

Перистом — структура, расположенная вокруг входа в ловушку растения (ловчего листа)

Набросок 4. Непентес (ловчий лист)

разработка, разработанная группой Джоанны Айзенберг, получила заглавие SLIPS* (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces — несмачиваемые пористые поверхности, пропитанные жидкостью). Пористые покрытия, создаваемые с её помощью, — истинные панафобы (от англ. рanphobia — боязнь всего), так как плохо смачиваются фактически хоть какой жидкостью — водой, солевыми смесями, нефтью и др.

В заглавии находится игра слов: с британского SLIPS переводится как «скользить».

Набросок 5. SLIPS-материал

Демонстрация олеофобности SLIPS-материала: даже при весьма небольшом наклоне капля нефти скатывается с покрытия. Вверху показано Какая конкретно изюминка непентеса кувшинчикового реализована в инноваторских покрытиях, создатели тщательно не обрисовывают, но можно представить, что она связана со специфичным строением ловушки. Согласно недавнешним исследованиям, главную роль в захвате насекомых цветком играет его перистом — структура у входа в кувшинообразную ловушку.

Поверхность перистома содержит микроскопичные впадины меж примыкающими эпидермальными клеточками — типичные поры, в каких находится смазочная жидкость — вода либо нектар. Вода может попадать туда во время дождика либо вследствие конденсации воды из воздуха. Нектар выделяют бессчетные железы цветка. Такое строение приводит к эффекту, схожему аквапланированию — появлению гидродинамического клина в пятне контакта шины кара. При большенный скорости на дороге, покрытой слоем воды, шина не успевает продавить водяную плёнку и может на сто процентов утратить контакт с дорогой. Так и тут: — маленький слой воды на растении приводит к тому, что лапки насекомого теряют сцепление с его поверхностью.

Эффект аквапланирования наиболее всего известен автомобилистам. Водяной слой отделяет шины передвигающегося авто от дорожной поверхности, что приводит к полной либо частичной потере сцепления. Иллюстрация Дэйва Индеча (Dave Indech)

Набросок 6. Движущая шина

Приобретенные эталоны SLIPS-материалов могут работать в экстремальных критериях больших давлений, одномоментно самовосстанавливаться, оптически прозрачны и химически инертны. Не считая того, они имеют низкую адгезию к таковым материалам, как лёд и воск.

характеристики SLIPS-покрытий определяют огромное количество их возможных приложений, под каждое из которых материал быть может подходящим образом оптимизирован.

к примеру, стабильность SLIPS-материалов при разных температурах и давлениях делает их безупречными для использования в качестве покрытий нефте- и водопроводов, антиобледенительных покрытий для устройств, работающих при отрицательных температурах, и даже материалов для глубоководных исследовательских работ.

Оптическая прозрачность (в видимом и ближнем ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения)-диапазонах) и способность к самоочищению открывают перспективы их внедрения в качестве покрытий для оптических поверхностей солнечных батарей, линз, сенсорных датчиков, устройств ночного видения. Несмачиваемость био жидкостями (таковыми как образованная водянистой соединительной тканью (Совокупность различных и взаимодействующих тканей образуют органы). Состоит из плазмы и форменных частей: клеток лейкоцитов и постклеточных структур: эритроцитов и тромбоцитов»>тканью. Состоит из плазмы и форменных элементов: клеток лейкоцитов и постклеточных структур: эритроцитов и тромбоцитов) либо лимфа) понадобится в борьбе с биозагрязнением поверхности мед устройств и инструментов.

Набросок 7

Панафобная натура SLIPS-материалов предназначает их применение и в качестве защитных покрытий на порогах жилищ от насекомых, также корпусов морских судов — от биообрастания.

процесс получения SLIPS-покрытий представлят собой нанесение пористой структуры на подложку и её предстоящее «» особым веществом, создающим мультифобную плёнку на поверхности. Как конкретно это происходит, составляет ноу-хау создателей разработки.

Как говорят исследователи из Виссеновского института, покрытия SLIPS можно создавать из обычных и дешевых материалов без спец оборудования, что, непременно, весьма презентабельно. Детали процесса не раскрываются, но, согласно публикации в журнальчике «NanoToday», можно представить, что в качестве пористой структуры предлагается применять дешевые полимеры на базе полидиметилсилоксана. Эти полимеры доступны, нетоксичны, гидрофобны, работают в широком спектре температур (от -60о до +300оС). естественно, большенный энтузиазм представляют как составы смесей, которыми заполняют пористые структуры, так и условия их нанесения. Но о этом можно лишь догадываться. Так либо по другому, видимо, уже в недалёком будущем на замену супергидрофобным материалам придут панафобные.

2. Явление гидрофильности и гидрофобности

Всем понятно, что, если поместить каплю воды на плоскую поверхность, она или разольется по ней, или воспримет овальную форму. При этом размер и неровность (величина так именуемого краевого угла) лежащей капли определяется тем, как отлично она смачивает данную поверхность. Явление смачивания можно разъяснить последующим образом. Если молекулы воды притягиваются друг к другу посильнее, чем к молекулам твердого тела, жидкость стремится собраться в капельку. Так ведет себя ртуть на стекле, вода на парафине либо на «жирной» поверхности. Если же, напротив, молекулы воды притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого тела, жидкость «прижимается» к поверхности, расплывается по ней. Это происходит с каплей ртути на цинковой пластинке либо с каплей воды на чистом стекле. В первом случае молвят, что жидкость не смачивает поверхность (краевой угол больше 90°), а во 2-м — смачивает ее (краевой угол меньше 90°). По другому молвят, что в первом случае поверхность по отношению к данной воды лиофобна (от греч. лио — растворяю, фобио — страшиться), а во 2-м — лиофильна (филио — обожать).

3. Взаимодействие поверхности с жидкостями различной природы

Таковым образом, все определяется силой обоюдного притяжения молекул воды и твердого тела, которая в свою очередь зависит как от природы воды, так и от параметров поверхности. Можно ли управлять этими качествами? Оказывается, да. Растения и звериные в процессе эволюции выдумали для этого огромное количество смышленых методов. Из их самый тривиальный — смазать поверхность узким слоем вещества, «любящего» либо «не любящего» данную жидкость. В случае воды молвят о гидрофильных и гидрофобных покрытиях. Просто проверить, что, если намазать поверхность стекла маслом, ее водоотталкивающие характеристики вырастут, а если заместо масла взять мыло — напротив, уменьшатся.

Конкретно водоотталкивающая смазка помогает почти всем звериным спасаться от лишнего намокания. к примеру, исследования морских звериных и птиц — котиков, тюленей, пингвинов, гагар — проявили, что их пуховые волосы и перья владеют гидрофобными качествами, тогда как остевые волосы животных и высшая часть контурных перьев птиц отлично смачиваются водой. В итоге меж телом звериного и водой создается воздушная прослойка, играющая значительную роль в теплорегуляции и термоизоляции.

4. Эффект лотоса

Но смазка это еще не все. Большую роль в явлении смачивания играет и структура поверхности. Шероховатый, бугорчатый либо пористый рельеф может сделать лучше смачивание. Вспомним, например, губы и махровые полотенца, отлично поглощающие воду. Но если поверхность вначале «опасается» воды, то развитый рельеф только ухудшит ситуацию: капельки воды будут собираться на выступах и скатываться.

Разумеется, что лотос является одним из важных знаков Востока и не только лишь. к примеру, во времена фараонов лотос был эмблемой Нижнего Египта и королевской власти: цветок лотоса носила Нефертити. Бог растительности, Нефертум, также олицетворял первозданный лотос и потому назывался «юным солнцем, что возникает из раскрывающегося лотоса». В индуизме и буддизме лотос практически один из главных знаков космогонии, он олицетворяет чистоту, мудрость, нирвану и почти все другое. К слову, основная буддистская словесная формула (ом-мане-падме-хум) значит просто восхваление сокровища в виде цветка лотоса. В Китае цветок лотоса обожествлялся ещё со времён даосизма, а потом его культ крепко вошёл в буддистскую религию и в национальную культуру. История почитания лотоса весьма увлекательна, но для современности важнее то, что он вправду владеет необыкновенными физико-химическими качествами. Благодаря особенному строению и весьма высочайшей гидрофобности его листьев и лепестков цветочки лотоса остаются умопомрачительно незапятнанными — конкретно это поражало наших далёких протцов. Цветок, появившийся в грязном болоте и оставшийся незапятнанным, незапятнанным, просто не мог не стать эмблемой. Стихотворение средневекового корейского поэта сон Кана (Чон Чхоля), написанное в форме традиционного трёхстишия сичжо (в переводе А. Ахматовой), прямо обрисовывает эффект сверхгидрофобности лотоса:

Вот почему почти все химики и материаловеды именуют технологии получения сверхгидрофобных покрытий «лотосовыми».

Но как ему удается достигнуть таковой сверхгидрофобности. «Эффект Лотоса» был открыт в 1990-е гг. германским ботаником, доктором Вильгельмом Бартлоттом. Он показал, что лепестки цветка покрыты крохотными шишечками либо «микрочастицами». Но лист в добавок вроде бы намазан воском. Он вырабатывается в железах растения, что делает его совсем неуязвимым для воды.

Как повторить неповторимое свойство. Над сиим работают ученые почти всех государств мира. Пока сотворено несколько покрытий, отвечающих схожими качествами.

1-ое из их сотворено в Стране восходящего солнца — это тончайшая пленка с выступами и впадинами:

Набросок 9. поверхность лотоса под электрическим микроскопом.

Секрет способа сотворения пленки в том, что в среду вводят наночастицы органокремниевых соединений (полиорганосиланы), причём они могут содержать фтор (фторалкилсилан), а могут и не содержать.

Регулируя условия, в каких проходит процесс, создатели получили крепкую, износостойкую и сразу прозрачную гидрофобную плёнку для почти всех систем. Углы смачивания микрокапель воды на таковых плёнках — от 150 до 160°. Таковой подход дозволяет покрыть сверхгидрофобной плёнкой почти все поверхности: стекло, пластик, бумагу, словом, хоть какое покрытие, способное выдержать условия осаждения.

иной способ основан на использовании химического метода. Употребляются при всем этом никель и тефлон. процесс припоминает никелирование, но с электролитом, содержащим тефлон. Тефлон — электрически нейтральное соединение, потому, для того чтоб он участвовал в электролизе, его частички перед добавлением в никельсодержащий электролит за ранее обрабатывают катионным поверхностно-активным веществом (ПАВ). Это помогает соединять тефлон с электролитом. На втором шаге соосаждающиеся с ионами никеля частички тефлона за счёт так именуемого якорного эффекта закрепляются на поверхности. На покрытии появляются локальные очаги завышенной плотности и прочности, т.к. ток распределяется неравномерно. С иной стороны, конкретно на таковых участках выделяется больше атомов водорода, которые стабилизируют процесс, другими словами делают доп экранирование, снижающее скорость осаждения. В конце концов, на крайнем шаге совсем формируется сетчатая структура из частиц тефлона, однородно распределённых в слое осаждённого никеля. Не считая того, на поверхности остаётся узкая плёнка молекул ПАВ, а снутри формирующегося покрытия остаются бессчетные микропоры.

При помощи такового способа можно получать покрытия с весьма малеханькими частичками тефлона (в спектре 1-100 нм). Гидрофобность таковой поверхности стремительно возрастает с ростом содержания тефлона — уже при 10-15 вес. % угол смачивания капли воды на таком покрытии добивается 160°. Этот способ был бы комфортен для сотворения электронных батарей, т.к. такие покрытия не только лишь сверхгидрофобны, да и способны катализировать некие реакции.

на данный момент продукция на базе нанотехнологий, использующая «эффект лотоса» уже поступила в продажу. Это, сначала, очищающие и полировочные аэрозоли.

Для чего необходимы лотосовые покрытия. Лотосовые покрытия могли быть неподменны в почти всех сферах жизни человека. Создание стекол, с которых бы стекали мелкие капельки воды с растворенными частицами грязищи. Создание плащей и иной специальной одежки. Создание самоочищающихся фасадов спостроек. Это лишь единичные примеры использования неповторимого характеристики лотоса.

«Эффект лотоса» — неповторимое природное свойство цветка. Оно быть может применено и в быту, и в индустрии, и, может быть, в медицине. Ученые в который раз пробуют копировать природу и не неудачно. Может быть, скоро такие покрытия поменяют огромное количество узнаваемых и обычных, а, быть может, даже наши зонты уйдут в прошедшее.

5. От «Наноковра» к «Наногазону»

Вы когда-нибудь следили капли опосля дождика на травке либо на листьях деревьев? Они лежат блестящими на солнце жемчужинами. В особенности красивы капли на ворсистых поверхностях листьев: поддерживаемые ворсинками, они вроде бы висят в воздухе в виде отдельных шариков, не касаясь поверхности листа и не смачивая его. Наклоните лист — и капля скатится, оставив опосля себя совсем сухую поверхность.

В крайнее время ученые проявляют большенный Энтузиазм к «нановорсистым» покрытиям, состоящим из огромного количества «волосков» нанометровых размеров (в 10-ки — сотки тыщ раз тоньше людского волоса). Такие поверхностные структуры благодаря очень развитому рельефу способны неоднократно усиливать как гидрофобные, так и гидрофильные характеристики материалов.

Например, китайские ученые не так давно смастерили «наноковер» — материал, поверхность которого образована густо расположенными «ворсинками» поперечником всего 50—150 нанометров. Понятно, что оксид цинка, из которого «соткан» чудо-ковер, владеет способностью перебегать из гидрофобного в гидрофильное состояние под действием ультрафиолета. Эффект связан с скоплением заряда в поверхностном слое полупроводника под действием облучения. (Заряжение поверхности — очередной из методов конфигурации ее смачиваемости.) В мгле поверхностный заряд равномерно стекает (приблизительно за недельку), и оксид цинка восстанавливает присущую ему «водобоязнь». наличие «нановорсинок» неоднократно усилило характеристики полупроводника, расширив спектр переключений «наноковра» от супергидрофобного до супергидрофильного (краевой угол близок к нулю) состояния. Такое покрытие могло бы отыскать массу применений в индустрии и хозяйстве, если б не один недочет — очень огромное время оборотного переключения. Вообщем, китайцы уповают в скором времени от этого недочета избавиться.

А вот ученые из Bell Labs (исследовательского отделения американской компании «Lucent Technologies») пошли несколько другим методом, вырастив ворсистую наноструктуру, нареченную ими «нанотрава», на пластинке кремния. Если в китайском «наноковре» ворсинки размещены совсем хаотически, мало различаются по размерам и торчат в различные стороны, то южноамериканский «наногазон» потрясает воображение собственной строго постоянной структурой. В опытнейших образчиках «нанотравинки» кремния представляли собой осторожные столбики поперечником 350 нм и высотой 7 микрон (0,007 мм). Расстояние меж столбиками было строго фиксировано и составляло на различных образчиках от 1 до 4 микрон. Такую упорядоченную структуру приготавливали методом травления кремния в плазме через маску из фоторезиста, потом на ней выращивали методом окисления узкий слой диэлектрика (оксида кремния), а сверху покрывали всю наноструктуру тончайшим слоем гидрофобного полимера. Просто додуматься, что материал оказался супергидрофобным: капли воды, упавшие в «нанотраву», практически повисают в воздухе, подпираемые «нанотравинками». Площадь касания шариков воды с «нанотравой» весьма мала (контактный угол близок к 1800), потому они очень подвижны — мельчайший наклон поверхности приводит к их резвому скатыванию. «Наногазон» понадобится не только лишь для сотворения супергидрофобных самоочищающихся покрытий. Оказалось, что его смачиваемостью можно просто управлять.

6. Танцующая капля

До сего времени мы гласили о изменении смачиваемости методом модификации поверхности. А можно ли как-то поменять характеристики воды, а конкретно ее поверхностное натяжение? Можно, к примеру, подмешав к ней вещества, способные поменять силу обоюдного притяжения молекул в поверхностном слое. Довольно влить в воду мало этилового спирта либо мыльного раствора, чтоб приметно понизить ее поверхностное натяжение. А вот добавление глицерина, напротив, приведет к повышению краевого угла. Но подмена воды веществом глицерина, мыла и тем наиболее спирта не постоянно желательна. Повышая температуру либо давление, можно ослабить поверхностное натяжение, а понижая — усилить. Но что созодать, если температура и давление фиксированы? На помощь приходит электричество. Еще в конце XIX века было найдено, что величина разности потенциалов меж поверхностью и каплей проводящей воды влияет на смачивание: краевой угол миниатюризируется пропорционально квадрату напряжения. Это так именуемый эффект электросмачивания.

Поместим каплю воды на супергидрофобную поверхность — она образует практически безупречный шарик. Потом приложим меж поверхностью и каплей напряжение — капля вроде бы прижмется к поверхности, краевой угол уменьшится. Плавненько увеличивая и понижая напряжение, можно вынудить каплю «плясать». Так как вода преломляет свет по другому, чем воздух, то лежащая капля — это собственного рода линза, лишь водянистая. В процессе «танца» кривизна поверхности капли изменяется, как следует, изменяется и преломляющая способность линзы, ее фокусное расстояние. Отлично и максимально просто! Нет никаких подвижных механических деталей. Работа водянистой линзы весьма припоминает человечий глаз, который фокусируется методом конфигурации кривизны хрусталика.

В крайние годы «водянистыми линзами» заинтересовались сходу несколько больших компаний, занимающихся информационными технологиями и видеотехникой. А именно, годом ранее компания «Philips» анонсировала оптическую систему FluidFocus, работающую по принципу «водянистой линзы». Устройство состоит из маленький трубки с прозрачными торцами, заполненной 2-мя несмешивающимися жидкостями с разными коэффициентами преломления. одна представляет собой проводящий электричество аква раствор, а иная — масло, изолятор. Внутренняя поверхность трубки и один из торцов покрыты гидрофобным покрытием, в итоге чего же аква раствор, скапливающийся у обратного торца, воспринимает полусферическую форму. Фокусное расстояние (кривизна линзы) меняется повышением либо уменьшением электронного потенциала, приложенного к гидрофобному покрытию. При всем этом поверхность может стать совсем плоской и даже вогнутой — линза из собирающей перевоплотится в рассеивающую либо напротив. размеры опытнейшего эталона FluidFocus составили всего несколько мм, его фокусное расстояние изменяется от 5 см до бесконечности, и, что в особенности принципиально, скорость переключения меж 2-мя последними режимами работы наименее 10 миллисекунд, а энергопотребление очень не достаточно. Крайнее событие открывает способности внедрения «водянистых линз» в портативных устройствах, работающих от аккумов: цифровых фотоаппаратах, интегрированных в мобильный телефон камерах и иной технике. Системы, подобные FluidFocus, разрабатывают и остальные компании. «Bell Labs», к примеру, сконструировала собственный вариант «водянистой линзы».

7. «Водянистый» экран и видео на «бумаге»

Капля, управляемая при помощи эффекта электросмачивания, — это не только лишь «водянистая линза», да и собственного рода переключатель, сочетающий миниатюрность и простоту устройства с высочайшей скоростью и эффективностью. Он может отыскать огромное количество самых нежданных применений — к примеру, для новейшего поколения мониторов, к созданию которых уже предложено два подхода.

Исследователи из компании «Philips» дают применять в качестве основного рабочего вещества новейших мониторов водно-масляную эмульсию. Пиксель монохромного монитора представляет собой ячейку, на дно которой нанесены отлично отражающее белоснежное покрытие и прозрачный электрод с водоотталкивающим изолятором. Ячейка заполнена консистенцией воды с маслом, подкрашенным темной краской. В отсутствие напряжения вода, отталкиваемая гидрофобным электродом, размещается вверху ячейки, масло разливается по электроду, на сто процентов закрывая белоснежную подложку, и пиксель смотрится черным. При подаче напряжения (порядка 20 вольт) на электрод вода за счет эффекта электросмачивания устремляется к нему, вытесняя масло в угол ячейки и открывая огромную часть белоснежной подложки. Благодаря маленьким размерам ячейки (500×500 микрон) и высочайшей отражательной возможности подложки темная капля в углу неприметна, и пиксель становится белоснежным. Плавненько меняя напряжение от нуля до предела, можно отчасти открывать подложку, получая подходящий тон сероватого цвета. Процесс переключения пикселя занимает порядка 10 миллисекунд.

Чтоб получить цветное изображение, предлагается поделить пиксель на три подпикселя, любой из которых состоит из 2-ух управляемых независимо разноцветных масляных слоев и светофильтра. Таковая непростая структура дозволяет применять две третьих общей площади экрана для проигрывания какого-то 1-го цвета (а не третья часть, как в обыденных мониторах). В итоге достигается беспримерная яркость изображения: по заявлению «Philips», она обязана возрасти вчетверо по сопоставлению с жидко-кристаллическими панелями.

Принципно иной вариант монитора, работающего на эффекте электросмачивания, выдумали исследователи из Института Английской Колумбии (Канада). Их мысль заключается в том, чтоб применять капли воды в качестве отражателей света. Пока напряжения нет, капля на прозрачной гидрофобной подложке имеет практически сферическую форму, ее контакт с подложкой мал. Подавая напряжение и увеличивая тем площадь контакта, можно придать капле форму полусферы. сейчас падающий снизу свет будет проходить через прозрачную подложку и каплю, пока не достигнет границы жидкость — воздух, где он испытает эффект полного внутреннего отражения, и опосля серии таковых отражений возвратится вспять, к наблюдающему. Таковым образом, при подаче напряжения капля преобразуется в оборотный отражатель и яркость пикселя неоднократно растет. Так как полное внутреннее отражение может быть только при углах падения света на границу раздела наименьших определенного, так именуемого критичного, световое пятно, отраженное пикселем, будет иметь форму кольца (но наблюдающий этого не увидит в силу последней малости его поперечника).

Обе предложенные технологии разрешают создавать мониторы с высочайшей яркостью и контрастностью, низким потреблением энергии и малым рабочим напряжением. Это открывает широкие способности их внедрения не только лишь в стационарных, да и в мобильных устройствах. Новейшие мониторы можно создать весьма тонкими и гибкими, а их пиксели способны переключаться довольно стремительно, чтоб предавать видеоизображения, — ну чем не «электрическая бумага»! книжки и газеты из таковой «бумаги» сумеют воспроизводить не только лишь текст и рисунки, да и видео.

Возникает легитимный вопросец: как же сила тяжести? Чудилось бы, если «водянистый» экран, лежавший поначалу горизонтально, поставить вертикально, жидкость снутри ячеек-пикселей начнет перетекать в новое положение и при всем этом, естественно, устройство закончит работать. Но ничего подобного не происходит, как ни крути. Дело в том, что в маленьком пикселе силы поверхностного натяжения на границах сред существенно превосходят силу тяжести, так как масса воды снутри него весьма мала. Так что в пикселях конкретно поверхностное натяжение, а не гравитация, «правит бал».

Набросок 10. Острый краевой угол возникает на смачиваемой (лиофильной) поверхности, тупой — на несмачиваемой (лиофобной).

Набросок 11. Крылья бабочек не намокают — их поверхность отталкивает воду.

Набросок 12. Кремниевая «нанотрава», «выращенная» южноамериканскими исследователями на подложке из незапятнанного кремния. Густота «газона» определяется критериями травления. Снимок данной умопомрачительно правильной структуры изготовлен с помощью сканирующего электрического микроскопа.

Набросок 13. «Наноковер», «сотканный» китайскими исследователями, образуют густо, но беспорядочно расположенные нити из оксида цинка поперечником от 50 до 150 нанометров. Понизу — вид на «ковер» сбоку.

Набросок 14. «Нанотравинки» перебегают из гидрофобного состояния в гидрофильное под действием скопленных ими зарядов, которые делает поток ультрафиолета либо источник тока.

Набросок 15. «Водянистая линза».

Набросок 16. Пиксель монитора, работающий на принципе электросмачивания.

Набросок 17. На цветном мониторе любой пиксель разбит на три под пикселя.

8. Капля в «нанотраве»

Вернемся вновь к «нанотраве» и лежащей на ней капле воды. Что произойдет, если применить к ним эффект электросмачивания? Опосля приложения достаточного напряжения капля не попросту уменьшит собственный краевой угол — она отчасти «всосется» в «нановорсистое» покрытие, смочив «травинки» до самого основания. При всем этом она растеряет не только лишь свою форму, да и подвижность, крепко «застряв» в «нанотраве». Уменьшим напряжение — и капля одномоментно отпрянет вспять, на кончики «нанотравинок», вновь обретя и практически сферическую форму, и свободу передвижения. Как проявили исследования, проведенные в Bell Labs, переход меж 2-мя состояниями происходит скачком при определенном пороговом значении напряжения (порядка 20 вольт), тогда как на обыденных гидрофобных поверхностях краевой угол плавненько миниатюризируется с ростом напряжения. Неповторимые характеристики «нанотравяного» переключателя могут отыскать массу увлекательных применений.

Так, компания «Lucent Technologies» уже анонсировала макет новейшего энергосберегающего аккума на «нанотраве». Мысль заключается в том, чтоб вынудить аккумулятор производить электроэнергию лишь тогда, когда это вправду нужно, а не повсевременно, как происходит в обыденных батареях, отчего они и садятся так стремительно. Управляя подвижностью водянистых реагентов при помощи «нанотравы», можно управлять ходом химической реакции, останавливая ее либо запуская вновь.

Другое любознательное применение «нанотравы» — остывание частей микросхем. тут употребляется эффект увеличения смачиваемости с ростом температуры (о этом уже шла речь выше). Заместо того чтоб охлаждать всю микросхему полностью при помощи массивного вентилятора и растрачивать на это массу энергии, как это принято сейчас, можно поручить дело «нанотраве». Для этого довольно протравить на поверхности чипа сеть микроканалов, по которым будет двигаться охлаждающая жидкость, а на верху чипа расположить что-то вроде радиатора, либо теплоотвода. Стены микроканалов необходимо покрыть «наногазоном» — тогда жидкость будет просто передвигаться по ним, всасываясь в «нанотраву» лишь на перегретых участках и тем охлаждая поверхность чипа лишь там, где это нужно.

«Нанотрава» быть может весьма полезна в микрофлюидике — новейшей науке и технологии сотворения «жидкостных» чипов, микроустройств, позволяющих управлять движением и перемешиванием микроколичеств жидкостей с целью анализа, диагностики и проведения разных тестов. Такие устройства используются, к примеру, для проведения генетического анализа. Есть также идеи использования «нанотравы» в оптических переключателях оптоволоконных сетей и в почти всех остальных устройствах.

Заключение

на данный момент продукция на базе нанотехнологий, использующая «эффект лотоса« и остальные размерные эффекты при смачивании уже поступила в продажу.