Specjaliści opracowali właśnie metalowe rurki, które nie toną i utrzymują się na powierzchni niezależnie. Kluczowe jest tu właśnie słowo “niezależnie”, bo oznacza ono, że te rurki pozostają na powierzchni nawet po wybiciu w nich dziesiątek otworów. Szczegóły tego projektu zostały opublikowane w czasopiśmie Advanced Functional Materials, gdzie kierujący pracami profesor Chunlei Guo i jego zespół pokazali, że wizja niezatapialnych konstrukcji wcale nie musi pozostawać w sferze marzeń.
Powierzchnia, która nie chce zmoknąć, czyli sekret w mikroskopijnych wgłębieniach
Cała magia dzieje się wewnątrz rurki, a dokładniej mówiąc na jej powierzchni. Naukowcy zastosowali precyzyjne grawerowanie laserem wewnętrznych ścianek aluminiowych rurek, czego efektem jest stworzenie sieci mikroskopijnych zagłębień o skali nano. Nie jest to więc byle warstwa wodoodporna, bo taka teksturowana powierzchnia zyskuje pasywne właściwości superhydrofobowe, co oznacza tyle, że finalny metal niezwykle skutecznie odpycha wodę, a tym samym pozostaje suchy nawet podczas długotrwałego zanurzenia.
Mechanizm jest genialny w swojej prostocie. Kiedy tak przygotowaną rurkę wrzucimy do wody, to w jej wnętrzu tworzy się stabilna kieszeń powietrzna. Ta uwięziona warstwa gazu działa jak naturalny pływak, skutecznie blokując dostęp wody i uniemożliwiając zatonięcie. Zespół Guo zainspirowała przyroda, bo podobne strategie przetrwania w wodzie stosują niektóre pająki niosące ze sobą bąbelki powietrza czy mrówki formujące pływające tratwy dzięki hydrofobowemu oskórkowi.
Prawdziwym kluczem do sukcesu okazała się jednak prosta modyfikacja – wewnętrzna przegroda. Zapobiega ona ucieczce powietrza, gdy rurka jest zanurzona pionowo. Bez tego elementu cały pomysł mógłby się nie powieść, ponieważ gaz po prostu by się ulotnił.
Hydrofobowa powłoka niczym artefakt przeszłości
W klasycznych powłokach hydrofobowych główną rolę odgrywa chemia – odpowiednie związki sprawiają, że woda gorzej zwilża powierzchnię. Tu proporcje są odwrócone: fundamentem jest geometria. Teksturowana powierzchnia tworzy coś w rodzaju mikroskopijnego labiryntu, w którym kropla wody dotyka metalu tylko na niewielkiej części swojej powierzchni. Resztę zajmuje powietrze. W języku fizyki mówi się o stanie Cassiego, w którym płyn spoczywa na mieszaninie stałego materiału i uwięzionych pęcherzyków gazu. Taki układ jest zadziwiająco stabilny – im bardziej woda próbuje wcisnąć się w zagłębienia, tym mocniej napotyka barierę w postaci ciśnienia powietrza.
Czytaj też: Ten samolot miał utrzymać Międzynarodową Stację Kosmiczną, ale stanie się jeszcze ważniejszy
Przy odpowiednio zaprojektowanej strukturze kontakt kropel z powierzchnią można sprowadzić do ułamka całkowitej powierzchni. Dla superhydrofobowych metali osiąga się kąty zwilżania powyżej 150 stopni, co w praktyce oznacza, że krople przyklejają się do takiej powierzchni mniej chętnie niż do liścia lotosu czy politetrafluoroetylenu. W doświadczeniach zespołu Guo widać to bardzo dosłownie – woda nie tyle spływa, ile odbija się od metalu jak gumowa piłka i to właśnie ta skrajna niechęć do zwilżania powoduje, że w środku rurki powstaje trwały pancerz powietrzny, określany fachowo jako plastron.
Dzięki temu różnica między zwykłą rurą a rurą superhydrofobową jest bardziej dramatyczna, niż sugerowałaby sama nazwa. W klasycznym przypadku każde mikropęknięcie powłoki oznacza drogę wejścia wody i początek końca pływalności. Tutaj nawet po pojawieniu się licznych otworów znaczna część objętości wciąż jest wypełniona gazem, który nie chce ustąpić miejsca cieczy. Stąd biorą się spektakularne eksperymenty, w których podziurawione elementy nadal wypływają na powierzchnię.
Od laboratoryjnego prototypu do odpornej konstrukcji
Prace nad superhydrofobowymi materiałami pływającymi trwają w tym zespole od dłuższego czasu. W 2019 roku zaprezentowali urządzenie zbudowane z dwóch odpornych na wodę dysków. Mimo że działało, miało poważną wadę, bo w niestabilnych warunkach lub pod ostrym kątem traciło zdolność utrzymywania się na powierzchni. Obecny projekt jest pod tym względem znacznie lepszy, oferując prostotę i stabilność nawet w niespokojnej wodzie, która ma przypominać warunki panujące na otwartym oceanie.
Gdyby tego było mało, najnowsze wyniki testów wytrzymałościowych są naprawdę imponujące. Rurki poddawano ekstremalnym warunkom przez wiele tygodni, a ich pływalność nie uległa pogorszeniu. Co więcej, naukowcy celowo je uszkadzali, co stanowiło kluczowy element eksperymentu.
Nawet jeśli poważnie uszkodzisz rurki, wybijając w nich tyle dziur, ile się da, te wciąż pływają – Chunlei Guo, profesor optyki i fizyki, University of Rochester
Ta cecha stanowi zasadniczą różnicę w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami. W klasycznych konstrukcjach pływalność zmniejsza się proporcjonalnie do rozmiaru uszkodzenia. Tutaj mechanizm działa inaczej, bo dopóki wewnątrz pozostaje choć część uwięzionego powietrza, dopóty rurka ma szansę się utrzymać.
Od tratw po farmy energii falowej. Gdzie można to wykorzystać?
W laboratorium testowano rurki o długościach dochodzących do około pół metra. Prawdziwy potencjał ujawnia się jednak wtedy, gdy zaczniemy myśleć o łączeniu wielu takich elementów w większe struktury. Badacze pokazali, że można z nich budować tratwy, a profesor Guo sugeruje, że skalowanie takiej konstrukcji dla uniesienia dużych, rzeczywistych ładunków jest jak najbardziej możliwe. Dlatego też same możliwości zastosowań są szerokie. Oczywistym skojarzeniem są niezatapialne jednostki pływające, ale technologia mogłaby też znaleźć zastosowanie w bojach sygnalizacyjnych, platformach wiertniczych czy sprzęcie ratunkowym. Każda z tych dziedzin skorzystałaby na materiale, który zachowuje pływalność nawet po poważnym uszkodzeniu.
Czytaj też: Przełom w wydruku metali. Zrobili z drukarki 3D mikroskopijnego kowala do pracy “atom po atomie”
Szczególnie intrygujący jest pomysł dotyczący energetyki. Zespół bada możliwość wykorzystania tratw z superhydrofobowych rurek do pozyskiwania energii z ruchu fal oceanicznych. Taka pływająca platforma mogłaby pełnić podwójną funkcję: stabilnej podstawy i generatora czystej energii elektrycznej, wykorzystując nieustanny ruch wody.
Projekt zdobył finansowanie z różnych źródeł, a w tym od National Science Foundation, Fundacji Billa i Melindy Gatesów oraz Goergen Institute for Data Science and Artificial Intelligence. Taki przekrój instytucji wspierających badania wskazuje na dostrzeżenie w tym pomyśle znaczącego, długoterminowego potencjału.
Co dalej z tym wynalazkiem?
Wynalazek zespołu Chunlei Guo nie jest magiczną receptą na katastrofy morskie, ale jest za to bardzo konkretnym dowodem na to, że intuicja wyniesiona z historii żeglugi da się podważyć eksperymentem. Przez lata przyzwyczailiśmy się, że pływalność jest delikatnym stanem równowagi, który łatwo zburzyć jednym uszkodzeniem kadłuba. Aluminiowe rurki z superhydrofobowym wnętrzem pokazują coś odwrotnego: można tak dobrać geometrię i strukturę powierzchni, by nawet liczne perforacje nie prowadziły automatycznie do utraty wyporu.
To przesunięcie myślenia ma znaczenie szersze niż sama żegluga. W czasach, gdy coraz więcej infrastruktury i urządzeń przenosimy na morza i oceany, od platform energetycznych po czujniki monitorujące środowisko, odporność na awarie staje się równie ważna jak wysokosprawne przetwarzanie energii czy miniaturyzacja elektroniki. Superhydrofobowe metalowe konstrukcje są jednym z przykładów technologii, które nie tyle “oszukują fizykę”, ile wykorzystują ją do granic możliwości, komponując odpowiednio materiał, geometrię i inspiracje zaczerpnięte z biologii.
Czytaj też: Top 5 militarnych mistyfikacji, które przeciwnik odkrył za późno
Przed wdrożeniem w skali przemysłowej pozostaje wiele pytań – od ekonomii wytwarzania na dużą skalę, przez zachowanie struktury w słonej wodzie, po odporność na osadzanie się zanieczyszczeń biologicznych. To jednak naturalny etap wędrówki od laboratorium do stoczni. Na razie najważniejsze jest to, że metalowa rurka, która za nic w świecie nie chce zatonąć, przestała być ciekawostką z działu “niemożliwe” i stała się elementem realnej, recenzowanej nauki.