В течение многих лет ученые пытались имитировать удивительную способность листа лотоса отталкивать воду. Листья лотоса настолько ненавидят воду, что капли без усилий скатываются с поверхности, очищая ее от грязи. Теперь международная группа исследователей во главе с Университетом Аалто разработала совершенно новую концепцию записи и отображения информации на поверхностях с помощью простой воды. Они используют уникальное поведение захваченного слоя воздуха на водоотталкивающей поверхности с двойной структурой в виде лотоса, погруженной под воду.
Чтобы добиться экстремальной водоотталкивающей способности листа лотоса, поверхность должна быть супергидрофобной: она должна иметь микроскопические поверхностные структуры, которые препятствуют полному смачиванию водой воды, оставляя тонкий слой воздуха между водой и поверхностью.. Когда такая поверхность погружается в воду, слой захваченного воздуха покрывает всю поверхность.
Исследователи под руководством доктора Робина Раса из Университета Аалто в Финляндии, Кембриджского университета и Исследовательского центра Nokia в Кембридже изготовили поверхность со структурами в двух масштабах: микроштифты размером десять микрометров и крошечные нановолокна размером вырос на столбах. На такой двухуровневой поверхности слой воздуха может существовать в двух различных формах (состояниях смачивания), соответствующих двум шкалам размеров. Исследователи обнаружили, что можно легко переключаться между двумя состояниями локально, используя насадку для создания избыточного или пониженного давления в воде, чтобы изменить воздушный слой в любое состояние.
«Минимальная энергия, необходимая для переключения между состояниями, означает, что система является бистабильной, что является важным свойством, например, запоминающих устройств», - отмечает научный сотрудник Академии доктор Робин Рас. Однако есть особенность, делающая ее еще более интересной: наблюдается разительный оптический контраст между состояниями из-за изменения шероховатости границы раздела вода-воздух.«В сочетании с оптическим эффектом поверхность также представляет собой бистабильный отражающий дисплей».
Переключение связано только с изменением формы воздушной прослойки - с самой твердой поверхностью ничего не происходит. Это демонстрируется написанием фигур на поверхности под водой (с использованием контраста между состояниями) и извлечением образца из воды: поверхность выходит совершенно сухой, и следов письма не остается.
Метод управления воздушным слоем с помощью насадки был разработан Тууккой Верхо, аспирантом Университета Аалто. Он смог показать, что обратимое переключение может быть выполнено с точностью попиксельно.
«Этот результат представляет собой первый шаг к превращению несмачиваемых поверхностей в платформу для хранения или даже обработки информации», - говорит профессор Академии Олли Иккала. До сих пор поверхности, вдохновленные лотосом, в основном разрабатывались для таких применений, как самоочистка, защита от обледенения или уменьшение сопротивления потоку. Это исследование является знаковым примером того, как природа учит материалистов функциональным материалам.
Статья под названием «Обратимое переключение между супергидрофобными состояниями на иерархически структурированной поверхности» опубликована в PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, и содержит более подробную информацию об этом проекте.
Посмотрите видео: