Co spojuje téměř jakékoli antény, auta, mrznoucí déšť, prach a Volžskou státní technickou univerzitu? Univerzitní vědci vynalezli typ povlaku, na který se velmi neochotně „lepí“ prach a voda a dokonce i olej se z nich jednoduše valí, takže nejen skvrny, ale i další „deriváty“: na povrchu se nemůže tvořit led a rez. Ochrana vašeho osobního vozu před prachem, špínou, rzí, mrazem a holuby je úzká, ale jednoduchá a přesná představa o tom, kde může být užitečná. Budovy se složitými fasádami, různými anténami a radioteleskopy, vnitřními vyhlídkovými plošinami, lesklými mrakodrapy, památkami v parcích, solárními panely, venkovními displeji a čočkami CCTV kamer jsou již širší. A ochrana letadla před námrazou už nevypadá jako něco jako osobní pohodlí nebo něco, co lze odhodit.
Ve značné části filmů o budoucnosti (těch, kde nás nečeká postapokalypsa) je vše velmi čisté, zářící, bez prachu. Co když je to budoucnost, ve které se využívá vývoj vědců z Volgogradské státní technické univerzity?
Možná jste někdy něco z toho pozorovali buď naživo, nebo prostřednictvím nějakého programu o přírodě – voda na lotosu se třpytí jako rtuť. Povrch prostěradla nevlhne, efekt se časem neztratí. Silný déšť tuto ochranu „nesmyje“ ani za pár hodin. List lotosu může déšť poškodit pouze mechanicky – řekněme, pokud ještě nevydrží tlak vody nebo vítr či krupobití doprovázející špatné počasí. Stejný hydrofobní účinek mají i listy zelí. Hlávka zelí je postavena tak, že téměř všechna voda, převalující se z listu na list, padá přímo pod stonek rostliny. Kapky s sebou zároveň snadno berou prach a lehké částečky nečistot: dochází k samočištění.
Téměř po celém světě se tento efekt nazývá „lotosový efekt“, protože tuto rostlinu pozorovalo mnohem více lidí než listy zelí. Podobnou vlastnost mají také křídla všech motýlů. Příroda se o ně postarala, protože pokud křídla navlhnou nebo navlhnou, motýl přestane být lehký a nebude moci létat, ale úplně jiný jev se nazýval „motýlí efekt“.
Zdá se, že vše je jednoduché – musíte analyzovat, čím jsou pokryty listy zelí a lotosu, a reprodukovat tuto látku v laboratoři. Ale při bližším zkoumání povrchů bude jasné, že při dostatečném zvětšení nejsou vůbec hladké. Pokud dáte list zelí do vody, zbarví se do stříbra. Pokud nemáte mikroskop a list zelí, představu o tom, jak vypadá hydrofobní povrch pod vodou, vám poskytne sklenice sody, jejíž stěny jsou hustě pokryty bublinkami oxidu uhličitého. Stěny vypadají hladce, ale bubliny na nich stále nějak ulpívají a odcházejí, až když se několik bublin spojí do větší bubliny – pak ji voda vytlačí nahoru. Co se stalo s místem, kde bylo těchto pár bublin, které se spojily? Nic jiného nestojí vodě v cestě k tomuto malému náměstí. Zmokla.
Co kdyby byl povrch skla zdrsněný nebo strukturovaný, aby bublinky mohly zůstat na stěnách déle? Vezměme si například strukturu stavebnice LEGO. Bublinky se budou lépe držet v konstrukci nejen v případech, kdy jsou pod válcovými výstupky-montážemi, ale i na nich – styčná plocha je větší oproti hladkému povrchu.
Ale musíme jít ještě dál. Představme si existenci LEGO dílů tak malých, že z nich pod mikroskopem sestavíte stavebnici známé, normální velikosti. Když si tento sestavený díl přiblížíme, uvidíme, že je celý pokrytý výstupky-spojovacími prvky. Po složení dostatečného množství běžných dílů z mikrodetailů z nich můžeme sestavit obyčejně vypadající (pouhým okem) sklo, z jehož stěn budou velmi neochotně a dlouho odcházet bublinky oxidu uhličitého ze sody. čas – mikrostruktura je „nepustí“ a pro vodu je bude obtížné smáčet povrch. Přesně tak funguje list zelí – po zvětšení je vidět, že je jako hustý háj pokrytý nějakými šiškami „vánočního stromku“. Pokud však takový kužel prozkoumáme při ještě větším zvětšení, pak se sám ukáže jako „hájek“ menších kuželů. V tak složité struktuře je snazší prodlévat vzduch a voda, která není schopna vrstvu vytlačit, se jednoduše odvaluje nebo se časem odpařuje.
Zelí stále vlhne
Když jsme řekli, že lotosový efekt na listu zelí nezmizí, mysleli jsme tím, že jej lze pozorovat velmi dlouho – několik hodin, dokud se louže vody jednoduše nevypaří. Pokud však provádíte dlouhodobé studie ve velmi vlhké místnosti, ve které se v důsledku nasycení vzduchu vodní párou kapka nemůže odpařit, ukáže se, že její kontaktní místo s plechem se zvětší a po několika hodinách hydrofobnost klesá – voda vnikla do struktury LEGO a vytlačený vzduch z ní vychází. „Konstruktér“ potřebuje vyschnout a tím „nabít“ – aby se účinek obnovil, atomy kapaliny se musí odpařit a jejich místo zaujme vzduch. Mimochodem, zelí je pokryto voskovou vrstvou, která ve srovnání s její mikrostrukturou není pro výzkumníky vůbec zajímavá.
Co v lidském světě může potřebovat „lotosový efekt“? Téměř vše. Pokud se člověk sám může zakrýt deštníkem, pak toto řešení není vhodné pro letadla, solární panely, antény a radioteleskopy. A deštník nemá „lotosový efekt“ – při každodenním používání pro zamýšlený účel se rychle stane nepoužitelným a opotřebuje se. Deštník odolává vodě pouze na fyzické úrovni, aniž by bojoval na nanoúrovni – je to prostě překážka deště.
O otázkách hydrofobnosti se lidstvo intenzivně zamýšlí již dvě desetiletí, existuje mnoho odvážných a účinných řešení – například laser „vypaluje“ složitou strukturu na povrch. Co nového mohou vědci z Volhy v této oblasti říci?
Jako vosk se vědci rozhodli použít komplexní kopolymery (na bázi fluoroalkylmethakrylátů a glycidylmethakrylátů), ze kterých mohou v nanoměřítku postavit řetězce, které fungují jako „juniorské“ stromy, které jsou zase stavebním materiálem pro „starší“ strukturu v tuto hierarchii. Jedná se o LEGO kostky postavené z ještě menších LEGO kostek. Sloučeniny fluoralkylmethakrylátů a glycidylmethakrylátu si zaslouží samostatný příběh, ale v našem případě stačí poznamenat, že jedna z nich je velmi hydrofobní a druhá dobře přilne k první na molekulární úrovni.
Tajemství objevu spočívá také v tom, že je potřeba prostředníka, který řetězy připevní k povrchu. Stejně jako v LEGO existuje mnoho dílů, které k sobě nelze přímo připojit, tak i v této technologii je potřeba použít kotvící částici, která zajistí „pracovní“ řetěz na požadovaném povrchu. Pro různé povrchy můžete použít různé „kotvy“.
“Existuje něco jako kontaktní úhel; specialisté používají jeho hodnotu k určení, jak se bude chovat kapka vody při interakci s pevným materiálem. Čím menší je tento úhel, tím více se kapka vody rozlije po povrchu a smáčí větší plochu.
V důsledku toho korozní procesy na takovém povrchu probíhají rychleji. Pokud je kontaktní úhel větší než 90 stupňů, pak se kapky vody šíří méně a zvlhčují menší plochu, proto se koroze zpomaluje. Vodoodpudivé (superhydrofobní) povrchy mají kontaktní úhel 150 stupňů a některé polymerní povlaky univerzitních vědců se vyznačují kontaktními úhly až 170,“ Viktor Klimov, docent katedry technologie vysokomolekulárních a Vláknité materiály Volgogradské státní technické univerzity, řekl RIA Novosti.
Pro jednoduché pochopení veličin, o kterých Klimov mluví: kontaktní úhel je úhel mezi povrchem, na který kapka dopadla, a stěnou kapky. Pokud kapka dopadá na povrch jednoduše ve formě polokoule, pak je tento úhel přibližně roven 90 stupňům. Čím více se kapka šíří, tím je toto číslo menší – úhel se zmenšuje. Potřebujeme kontaktní úhel asi 160-170 stupňů. Kapky vody se odrážejí od povrchu jako tenisové míčky od asfaltu.
Vědci již provedli testy ve společném rusko-vietnamském tropickém centru: materiály vydrží tropické klimatické podmínky bez zhoršení po dobu asi šesti měsíců. Metoda nemění hmotnost nebo barvu produktu ani jeho jas. Odolává kyselému a zásaditému prostředí a častým změnám záporných a kladných teplot.
Analogie zelí a lotosu na začátku byla v jednom aspektu velmi přesná. Když jsou rostliny zbaveny prachu a nečistot, jejich listy se stanou efektivnějšími při fotosyntéze. Vývoj volžských vědců může hrát velkou roli v „zelené“ energii – představte si obrovská pole křišťálově čistých solárních panelů, které není třeba po dešti čistit.
© Foto: William Thielicke
