Фізика
Фізика

Вкрита нанодротами фольга зробила сальто і вистрибнула із води

Тайванські фізики досліджували взаємодію гідрофобних матеріалів із водою та помітили, що доповнена наноструктурами мідна фольга може не лише повільно проплисти під водою, а і зробити з неї сальто. Це відбувалося тільки-но вирізана з фольги рибка торкалася межі розділу вода-повітря - енергія поверхневого натягу збільшувала її швидкість у 20 разів. Про стрибучість фольги вчені розповіли у iScience.

New Scientist / YouTube

New Scientist / YouTube

Навіщо запускати фольгу у плавання?

Живим організмам вистрибувати з води, тобто долати силу тяжіння і її поверхневий натяг, має вистачати інерції - наприклад, крихітному планктону її не вистачає, щоб прорватися через поверхню води. Так само її не вистачає звичайним матеріалам, які не можуть генерувати кінетичну енергію і імпульс, а тому потребують зовнішніх сил. Поверхневий натяг на межі вода-повітря заважає і розробці невеликих водних роботів.

Здатність металу тонути або плавати залежить від його щільності, форми і кількості витісненої ним води. Неформовані метали (наприклад, пластини) одразу тонуть через їх високу щільність, а метали спеціальної форми (наприклад, човни) можуть плавати, якщо плавучість, створювана витісненою ними водою, перевищує їхню власну вагу. Однак, додатково покращити плавучість можливо за допомогою супергідрофобних поверхонь із екстремальними водовідштовхувальними властивостями. Шорсткість у наномасштабах та низька поверхнева енергія допомагає бульбашкам повітря затримуватися на межі розділу вода-метал та відштовхувати воду, щоб втримувати матеріал на поверхні.

Як поплавала фольга у вчених?

Мідну та сталеву фольгу вчені доповнили нанодротами з діоксиду кремнію та обробили силаном, який зробив її непотоплюваною. Причому вона могла і вистрибувати з води, якщо підіймалася вгору і торкалася межі розділу вода-повітря. Вчені припускають, що за певних умов ця межа здатна передавати кінетичну енергію гідрофобним об'єктам, перетворюючи енергію поверхневого натягу. Так 15-міліграмові пластина з фольги, човник і рибка змогли стрибнути на висоту у півтора сантиметра за 0,375 секунди, а вода надала їй потужність 0,49 мікровата.

Що змусило її вистрибнути?

Вода є багатим джерелом енергії, у тому числі й трибоелектричної, коли струм виникає внаслідок тертя. Однак, за словами вчених, досі було мало досліджень отримання енергії через взаємодію із поверхневим натягом, яка і змусила фольгу у цьому експерименті стрибати. Оскільки товщина сталевої фольги (0,01 міліметра) була значно меншою, ніж довжина капіляра води (2,71 міліметра), вертикальна складова капілярної сили була критичною для плавання. І тому, коли фольга почала проникати через поверхню води, відповідна капілярна сила поступово збільшувалася та спричиняла стрибок.

Кількість цієї енергії збільшувалася зі збільшенням площі фольги, яку запускали вчені, однак, стрибала вона на таку саму висоту, що і менші, через більшу вагу. Гідрофобна поверхня сприяє стрибкам через додавання фользі більшої плавучості - здатності втримуватися на поверхні, але якщо вага предмета буде більшою, стрибку не станеться. Дослідники вважають, що подібне може статися і з будь-яким іншим неметалевим матеріалом, наділеним гідрофобними властивостями, а тому їхнє дослідження допоможе у розробці різних автономних пливучих пристроїв, які зможуть використовувати енергію поверхневого натягу води.


Оновлено о 16.30: Ми вказали, що пластика з фольги, човник та рибка важили 15 грамів , однак їхня маса становить 15 міліграмів.

овжина капіляра води
довжина капіляра пов'язує силу тяжіння і поверхневий натяг. Вона впливає на меніск - викривлення рідини внаслідок її контакту із твердим тілом або іншою рідиною.