Medžiagos, gebančios aktyviai atstumti vandenį ir ledą, nepaprastai domina ne vien aviacijos pramonės atstovus. Visai neseniai Šveicarijos federalinio technologijos instituto Ciuriche mokslininkai išsiaiškino, kaip tinkamai paruošti tokių medžiagų paviršius.
Jeigu artimiausiu metu ketinate skristi lėktuvu, atkreipkite dėmesį į įprastą orlaivius aptarnaujančio personalo ritualą ledą ir sniegą, esantį ant lėktuvo sparnų, pašalinti specialiu skysčiu. Tai atlikti būtina, nes mažyčiai ore besikondensuojantys vandens lašeliai esant tam tikroms sąlygoms gali pavirsti ledu ir prikibti prie lėktuvo sparnų. O tai savo ruožtu pakilimo metu leistų susiformuoti turbulentiniam oro srautui ir pavojingai sumažintų lėktuvo keliamąją jėgą. Kur kas efektyviau už ledo šalinimo procedūrą būtų sukurti tokius sparnus, kurie neleistų prikibti leido krisleliams arba netgi aktyviai juos atstumtų. Naujausiame prestižinio žurnalo „Nature“ numeryje Šveicarijos federalinio technologijos instituto Ciuriche tyrėjai atskleidžia, jog iš esmės įmanoma sukonstruoti medžiagas, kurios būtų „alergiškos“ ledui ir vandeniui. Bet iš pradžių reikia išsiaiškinti, kaip mažyčiai vandens lašeliai paviršių panaudoja lyg šis būtų batutas.
Minėtojo instituto profesorius Dimosas Pulikakosas (Dimos Poulikakos) kartu su kolegomis tyrinėjo vieno milimetro dydžio vandens lašelio, patalpinto ant specialiai paruošto silicio paviršiaus, elgesį tolygiai mažindami eksperimentinės kameros oro slėgį ir visą procedūrą fiksuodami itin sparčia vaizdo kamera. Iš pradžių lašelis nejudėjo, tačiau pasiekus vieną dvidešimtąją normalaus atmosferos slėgio dalį jis staiga pašoko. Po trumpo liuoktelėjimo lašelis galiausiai nusileido ant paviršiaus, bet tik tam, kad vėl pašoktų – ir šįkart dar aukščiau. Visai kaip atletas su kiekvienu šuoliu vis stipriau atsispirdamas nuo elastinės batuto dangos, taip elgėsi ir vandens lašelis sulig kiekvienu kontaktu su paviršiumi pakildamas vis aukščiau nuo jo. Įdomu tai, jog medžiagos paviršius buvo visiškai kietas. Nors nespecialisto akiai tai panašu į magiją, vis dėlto fizikos profesorių labiau stebina tai, kad šis reiškinys iš pažiūros pažeidžia fundamentalius fizikos dėsnius, kurie neleidžia ant kieto paviršiaus nukritusiam kūnui spontaniškai įgyti pakankamai judėjimo energijos, užtikrinsiančios pastarojo šuolį į dar didesnį aukštį. Tačiau vandens lašelis elgėsi būtent taip.
Tam, kad išsiaiškintų paslaptingųjų lašelį veikiančių jėgų kilmę, D. Pulikakosas kartu su savo podoktorantūros stažuotojais atliko detalią pastarojo judėjimo ir temperatūros pasiskirstymo viduje analizę. Šveicarijos federalinio technologijos instituto Ciuriche mokslininkai, per kelis pastaruosius metus įminę ne vieną gluminančią vandens lašelių paslaptį, dabar atrado, kad natūralaus vandens garavimo ir medžiagos paviršiaus mikrostruktūros kombinacija yra esminis faktorius, lemiantis lašelio šokinėjimo reiškinį. Per didelis slėgis tarp paviršiaus ir lašelio, susidarantis dėl pastarojo garavimo, priverčia šį kiekvieno susidūrimo metu pašokti į viršų – visaip kaip paveikus spyruoklei.
Kuomet vandens lašelis yra gerokai peršaldomas, garavimą sustiprina specifinis reiškinys, fizikų vadinamas rekalescencija. Tai gerai žinomas efektas, stebimas apdirbant įvairias medžiagas, pavyzdžiui, grūdintą plieną, kuomet šis vėsdamas sugeba kurį laiką savaime pakelti savo temperatūrą. To priežastis yra vadinamoji slaptoji šiluma, kuri išsiskiria, kuomet plienas pakeičia savo fazę ir ima kietėti. Tiesą sakant, labai panašus scenarijus buvo stebėtas ir vandens lašelio viduje: kai jo paviršiuje garuojantis vanduo atvėsina šį žemiau užšalimo taško, pradeda formuotis ledo kristalai. Tokio fazinio virsmo – iš skysčio į kietąjį kūną – metu išsiskyrusi šiluma staigiai pakelia lašelio temperatūrą iki nulio laipsnių. Kadangi lašelio pašilimas užtrunka vos kelias milisekundes, stebimas sprogstamasis garavimas. Tai vėl atvėsina lašelį ir ciklas pasikartoja iš naujo. Toks sprogstamasis garavimas sukelia dar didesnį slėgių skirtumą, todėl priverčia lašelį atsiplėšti nuo paviršiaus lyg kokiai raketai.
Svarbiausias medžiagos vaidmuo yra sietinas su jos paviršiumi, mat šis privalo būti pakankamai grublėtas, kad lašelis nepriliptų prie jo. Bet iš kitos pusės, jis negali būti per daug grublėtas, nes tokiu atveju vandens garai pernelyg sparčiai pasišalintų per paviršiaus angeles ir įtrūkimus, tad raketinio pakilimo efekto tiesiog nebeliktų. Mikrostruktūriniai silicio paviršiai, sukurti minėtojo instituto mokslininkų, kaip tik tenkina tokius reikalavimus: juos sudaro vos kelių mikronų dydžio tvarkingų stulpelių masyvai, kuriuos skiria maždaug penkių mikronų tarpeliai.
„Iš savo darbo rezultatų galime pasakyti, kokios yra būtinos paviršių savybės norint, jog pastarieji aktyviai atstumtų vandenį ir ledą, – teigia profesorius D. Pulikakosas. – Tuomet belieka jos atitinkamai paruošti.“
Atlikdami eksperimentus tyrėjai išbandė skirtingas medžiagas, pavyzdžiui, ėsdintąjį aliuminį arba anglies nanovamzdelius. Tačiau tam, kad vandens lašelių šokinėjimo mechanizmas būtų kuo naudingesnis realiems taikymams, iš pradžių reikia užtikrinti jo veikimą esant normaliam atmosferos slėgiui. Profesoriaus vadovaujama komanda tikisi proveržio kelerių artimiausių metų bėgyje. Jeigu tai pavyktų įgyvendinti, galėtume džiaugtis tiek neapledėjančiomis elektros perdavimo linijomis, tiek kelio paviršiumi, kuris atstumtų vandenį bei ledą. Ir, žinoma, ledo šalinimas nuo lėktuvų sparnų liktų tik senuose prisiminimuose.