Паук, который дышит под водой, вдохновил ученых на создание супергидрофобных поверхностей

Водонепроницаемость — это способность материала отталкивать воду, не давая ей проникнуть внутрь или пристать к поверхности. Это свойство может иметь множество применений в различных областях, таких как биомедицина, промышленность, энергетика и транспорт. Например, супергидрофобные поверхности могут предотвратить коррозию, рост бактерий, прилипание морских организмов, химическое загрязнение и другие негативные эффекты жидкости на поверхностях.

Однако создание супергидрофобных поверхностей, которые могут сохранять свою водонепроницаемость под водой в течение длительного времени, является большой научной и технической проблемой. Большинство существующих супергидрофобных материалов теряют свою эффективность под давлением или при контакте с другими жидкостями. Как же достичь стабильной и долговечной супергидрофобности под водой?

Вдохновение из природы

Ответ на этот вопрос можно найти в природе. Существует вид паука, который живет всю свою жизнь под водой, несмотря на то, что у него есть легкие, которые могут дышать только атмосферным кислородом. Как он это делает? Этот паук, известный как Argyroneta aquatica, имеет миллионы шероховатых, гидрофобных волосков, которые запирают воздух вокруг его тела, создавая кислородный резервуар и служа барьером между легкими паука и водой. Этот тонкий слой воздуха называется пластроном и уже десятилетия материаловеды пытаются использовать его защитные эффекты.

Пластрон — это явление, когда на шероховатой поверхности образуется устойчивый газовый слой при погружении ее в жидкость. Пластрон предотвращает прямое соприкосновение жидкости с поверхностью и поддерживает ее сухостью. Однако пластроны оказались очень нестабильными под водой, сохраняя поверхности сухими только в течение нескольких часов в лаборатории. Одна из самых больших проблем с пластронами заключается в том, что для их образования необходимы шероховатые поверхности, подобные волосам Argyroneta aquatica.

Новый подход к созданию супергидрофобных поверхностей

Недавно команда исследователей из Гарвардского университета (США), Университета Эрланген-Нюрнберга (Германия) и Университета Аалто (Финляндия) разработала супергидрофобную поверхность с устойчивым пластроном, который может длиться под водой в течение месяцев. Их общая стратегия заключается в том, чтобы создавать супергидрофобные поверхности из дешевых и широко доступных титановых сплавов, которые подвергаются химической обработке для формирования наноструктурированного слоя гидрофобных молекул на их поверхности.

Этот слой называется титан-аполицин-самособирающий монослой (Ti-APhS) и имеет ряд уникальных свойств, которые делают его идеальным для создания пластронов. Во-первых, Ti-APhS имеет очень низкую поверхностную энергию, что означает, что он сильно отталкивает воду. Во-вторых, Ti-APhS имеет высокую химическую стабильность и устойчивость к износу, что означает, что он не разрушается под воздействием воды или трения. В-третьих, Ti-APhS имеет оптимальную степень шероховатости, которая позволяет ему захватывать и удерживать воздух при погружении в воду.

Команда исследователей продемонстрировала, что Ti-APhS может сохранять свою супергидрофобность под водой в течение более чем 200 дней без потери эффективности. Они также показали, что Ti-APhS может отталкивать кровь и резко снижать или предотвращать прилипание бактерий и морских организмов, таких как мидии и устрицы. Это открывает широкий спектр применений Ti-APhS в биомедицине и промышленности, таких как имплантаты, катетеры, корабли, трубопроводы, турбины и другие поверхности, которые подвержены контакту с жидкостями.

Перспективы развития

Исследование, проведенное командой ученых из разных стран, является важным шагом в области создания супергидрофобных поверхностей, которые могут длительное время оставаться сухими под водой. Они предложили новый метод изготовления таких поверхностей из титановых сплавов, которые покрываются специальным слоем гидрофобных молекул. Они доказали, что такие поверхности могут защищать от воды, крови и биологических загрязнителей в течение месяцев. Это открывает новые возможности для использования супергидрофобных поверхностей в разных сферах, где требуется защита от жидкостей.

Однако исследование также ставит ряд вопросов и проблем, которые требуют дальнейшего изучения. Например, какие физические и химические процессы обеспечивают стабильность воздушного слоя под водой? Какие факторы могут повлиять на его формирование и разрушение? Как можно улучшить производство и масштабирование супергидрофобных поверхностей из титановых сплавов? Как можно адаптировать их к различным условиям и приложениям? Какие могут быть экологические последствия использования супергидрофобных поверхностей в природных или искусственных системах? Эти и другие вопросы остаются открытыми для будущих исследований.