Искусственная араукария развела жидкости с разным поверхностным натяжением

Китайские и гонгонкские физики сделали искусственный аналог побега араукарии, который направляет жидкости с разным поверхностным натяжением в разные стороны. Если краевой угол меньше 40 градусов, то жидкость потечет в направлении «роста» чешуек на поверхности, а если меньше, то в противоположном. В будущем такие материалы можно использовать, например, для окрашивания тканей или опреснения воды, пишут ученые в Science.

В зрелом возрасте у некоторых видов араукарии (Araucaria), тропического хвойного дерева, иголки превращаются в необычные листья. Вместо длинных игл на побегах формируется чешуя из довольно широких загнутых листьев.

Фотографии листа араукарии (Araucaria sp.) и отдельных иголок на его поверхности

Особенность этой спиральной гидрофильной чешуи в том, что она по-разному реагирует на жидкости с разным поверхностным натяжением. Если угол смачивания сравнительно маленький — например, как у этилового спирта, то жидкости потечет туда, куда наклонены листья. Но если угол смачивания превышает 40 градусов, как, например, у воды, то жидкость потечет в противоположном направлении — фактически «против шерсти».

Растекание этилового спирта (сверху) и воды (снизу) по листу араукарии

Физики под руководством Цзуанькая Вана (Zuankai Wang) из Городского университета Гонконга решили разобраться, как араукария разделяет жидкости, и сделали искусственную поверхность с аналогичными свойствами. Для многих практических приложений, например в микрофлюидике, направленный транспорт жидкостей и разделение их по поверхностной энергии — полезный инструмент, который может пригодиться и для технических задач (например сбора воды или охлаждения микроустройств), и для более сложных устройств для биохимического или медицинского анализа. Поверхности со заданным микрорельефом можно использовать и как внутреннюю стенку закрытой трубки, и как открытую поверхность (как это, собственно, делает араукария). Подробнее о принципах работы микрофлюидных систем с открытыми поверхностями вы можете прочитать в нашем материале «Инспирировано буком».

Внимательно изучив геометрию листьев араукарии, физики с помощью фотолитографии сделали искусственную поверхность с аналогичной структурой. Чешуйки на ней выстроили параллельными рядами, так что между соседними чешуйками было 750 микрометров, а между рядами — один миллиметр. Две главные черты этих зубцов — угол, под которым они выходят из поверхности (40 градусов), и закрученность сразу в двух измерениях. Радиус кривизны относительно оси иголки составлял 400 микрометров, а относительно линии закрепления на поверхности — 650 микрометров.

Микрофотографии чешуек на поверхности искусственного листа араукарии

Чтобы проверить, действительно ли такая сложная поверхность направляет разные жидкости в разные стороны, ученые запустили по ним струйки растворов с разным поверхностным натяжением (с краевым углом от 15 до 80 градусов). Оказалось, что жидкости действительно текут по такой зубчатой поверхности в разных направлениях: если краевой угол больше 42 градусов — течение будет «против шерсти», а если меньше — «по шерсти».

Растекание жидкостей с разными краевыми углами: сверху — 32 градуса, снизу — 60 градусов

Происходит это из-за того, что движение жидкостей не непрерывное, а происходит скачками между точками, на которых происходит пиннинг краевой линии (то есть она удерживается там до момента, пока она не накопит достаточно энергии для следующего перескока). На один период зубчатой текстуры приходится четыре таких точки: две на верхушках иголок, и две — в их нижних углах.

Если краевой угол маленький, то при натекании жидкость будет течь по нижней поверхности, добираясь сначала до нижних точек пиннинга и подтекая затем под следующую чешуйку. Если краевой угол большой — то, наоборот, жидкость натекает на листья сверху и перепрыгивает между верхними точками пиннинга. В первом случае течение против наклона чешуйки ей же и тормозится, поэтому предпочтительное направление течения будет «по шерсти». Во втором случае — жидкость покрывает торчащую навстречу иголку сверху и поэтому потечет «против шерсти».

Растекание жидкости с краевым углом 32 градуса по поверхности с круговой геометрией

Авторы работы отмечают, что задавать таким образом движение жидкостей может быть полезным не только для научных задач, но и для промышленных процессов: окрашивания тканей, опреснении воды или для подавления коррозионных процессов.

Если у ньютоновских жидкостей пиннинг краевой линии влияет в первую очередь на динамику растекания и пропитки, то полимерных гелей он может влиять на механические свойства и форму. Например, недавно физики обнаружили, что именного пиннинг краевой линии определяет форму морщин упругого полимерного материала при сжатии и приводит к появлению гистерезиса при деформации.

Александр Дубов

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 16.09.2021 в 22:44

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии