Многим людям знакома одна бытовая проблема – хочется выдавить из упаковки последнюю каплю чистящего средства или шампуня, однако сделать это практически невозможно. Некоторые переворачивают бутылку со средством вверх дном, другие добавляют воду, надеясь, что остатки того же шампуня будут легче скользить вниз. Третьи же просто сдаются и выбрасывают старую бутылку с остатками продукта.
Но инженеры Бхарат Бхушан (Bharat Bhushan) и Филип Браун (Philip S. Brown) из Университета Огайо озаботились проблемой с научной точки зрения. В итоге они создали микроскопическую подкладку, которая позволяет любому, даже самому густому и вязкому, продукту полностью выскользнуть из упаковки. (Решение из серии "Как я раньше об этом не догадался?")
Учёные также показали, что покрывать этим материалом можно полипропилен (маркировка PP на упаковках) — дешёвый вид пластика, использующийся для широкого спектра потребительской продукции.
Сердце технологии — буфер, образуемый между пластиком, к которому обычно "прилипают" молекулы средства, и самой густой жидкостью. Покрытие представляет собой "лес" микроскопических Y-образных (раздвоенных) структур, которые состоят из наночастиц диоксида кремния — компонента песка и стекла. А значит, новый материал может стать продуктом массового производства.
По этим структурам жидкость, будь то мыло, вода или масло, движется как по шипам, образуя воздушные карманы. (Вспоминается удивительный эффект лотоса, столь любимый многими учёными.) В итоге мыло и другие продукты плавно соскальзывают по такой поверхности, а нужное средство легко выдавливается из бутылки до последней капли.
Поясним, что такие вещества как шампунь или масло обычно не могут быстро течь по поверхности — им мешают силы притяжения между молекулами в жидкости. В таких жидкостях, как вода или ртуть, молекулы "хотят" держаться вместе и сцепляются в капли (высокое поверхностное натяжение).
Но когда твёрдую поверхность встречает жидкость с низким поверхностным натяжением (шампунь), её молекулы стремятся разойтись порознь и прилипнуть к молекулам поверхности, но не друг к другу. В результате они растекаются по поверхности и прилипают к ней словно приклеенные. Именно эту "плёнку" люди и пытаются выдавить из упаковки, но, как видим, сделать это практически невозможно.
Поверхности, которым всё же удаётся "отбиться" от жидкости с низким поверхностным натяжением, называют суперолеофобными или маслоотталкивающими. В отличие от водоотталкивающих поверхностей – например, всё тех же листьев лотоса, лепестков роз или лап геккона — их трудно найти в природе.
Конструирование суперолеофобных поверхностей требует от инженеров некоторой изобретательности. В частности, такие поверхности должны обладать двумя особенностями. Во-первых, они должны быть шероховатыми, чтобы образовывались воздушные карманы между поверхностью твёрдого тела и масляными каплями. Во-вторых, на них должно быть нанесено покрытие с низкой энергией поверхности.
Исследователи из Университета Огайо для достижения шероховатости встроили в мембрану крошечные частицы двуокиси кремния, а в качестве химического покрытия использовали соединение фтора, которое называется фторсиликон.
Создание поверхностей, которые могут отталкивать масло и шампунь является довольно трудной задачей, и "это впервые, когда кто-то продемонстрировал, что это возможно сделать с дешёвым, распространённым пластиком", говорит Гарет Маккинли (Gareth McKinley), профессор механической инженерии в Массачусетском технологическом институте, не участвовавший в работе.
По словам специалистов, запатентованная технология позволит не только в скором времени забыть человеку о вечно досаждающей проблеме, но и сделать пластик более прочным и повторно используемым. Отметим, что последнее особенно важно, учитывая экологическую проблему утилизации пластикового мусора.
Кроме того, покрытие может пригодиться в биомедицинских устройствах, катетерах и других пластмассовых изделиях, которые всегда должны оставаться чистыми.
Результаты научной работы опубликованы в издании Philosophical Transactions of the Royal Society.
