Лазерный мир

Супергидрофобные свойства могут привести к применению в солнечных панелях, санитарии и в качестве практически не ржавеющих металлов

Ученые из Университета Рочестера использовали лазеры для превращения металлов в чрезвычайно водоотталкивающие или супергидрофобные материалы без необходимости во временных покрытиях.

Супергидрофобные материалы желательны для ряда применений, таких как защита от ржавчины, противообледенительная обработка или даже в целях санитарии. Однако, как объясняет Рочестер Чунлей Го, большинство современных гидрофобных материалов используют химические покрытия.

В статье, опубликованной  в Journal of Applied Physics, Го и его коллега из Института оптики университета Анатолий Воробьев описывают мощную и точную технику лазерного формирования рисунка, которая создает сложный рисунок микро- и наноразмерных структур для придания металлам их новых свойств. Эта работа основана на более ранних исследованиях, проведенных группой, в которой они использовали похожую технику лазерного моделирования, которая делала металлы черными. Го заявляет, что, используя эту технику, они могут создавать многофункциональные поверхности, которые не только супергидрофобны, но и обладают высокой оптической абсорбцией.

Го добавляет, что одним из больших преимуществ процесса, созданного  его командой,  является то, что «структуры, созданные нашим лазером на металлах, являются неотъемлемой частью поверхности материала». Это означает, что они не будут стираться. И именно эти образцы заставляют металлы отталкивать воду.

«Материал настолько сильно отталкивает воду, что вода действительно отскакивает. Затем она снова приземляется на поверхность, снова отскакивает, а затем просто скатывается с поверхности », — сказал Го, профессор оптики в Школе инженерии и прикладных наук университета Хаджим. Весь этот процесс занимает меньше секунды.

Материалы, созданные Го, намного более скользкие, чем тефлон — обычный гидрофобный материал, которым часто покрывает антипригарные сковороды. В отличие от металлов, обработанных лазером Го, тефлоновые кухонные инструменты не являются супергидрофобными. Разница в том, что для того, чтобы вода скатилась с покрытым тефлоном материалом, вам нужно наклонить поверхность почти на 70 градусов, прежде чем вода начнет соскальзывать. Вы можете заставить воду скатываться с металлов Го, наклоняя их менее чем на пять градусов.

Когда вода отскакивает от супергидрофобных поверхностей, она также собирает частицы пыли и уносит их с собой при потоке. Чтобы проверить это свойство самоочищения, Го и его команда взяли обычную пыль из пылесоса и бросили ее на обработанную поверхность. Примерно половина частиц пыли была удалена всего тремя каплями воды. Потребовалось всего дюжина капель, чтобы оставить поверхность безупречной. Еще лучше то, что эта поверхность  остается полностью сухой.

Го взволнован потенциальным применением супергидрофобных материалов в развивающихся странах. Именно этот потенциал вызвал интерес у Фонда Билла и Мелинды Гейтс, который поддерживал эту работу.

«В этих регионах сбор дождевой воды имеет жизненно важное значение, и использование супергидрофобных материалов может повысить эффективность без необходимости использования больших воронок с высокими углами наклона для предотвращения прилипания воды к поверхности», — говорит Го. «Второе приложение может создавать уборные, которые будут более чистыми и полезными для использования».

Уборка туалетов в местах с небольшим количеством воды — непростая задача. Благодаря использованию супергидрофобных материалов уборная может оставаться чистой без необходимости промывки водой.

Но проблемы еще предстоит решить, прежде чем эти приложения могут стать реальностью, заявляет Го. В настоящее время для формирования образца металла размером 1 на 1 дюйм требуется час, и для его применения в развивающихся странах потребуется усовершенствование этого процесса. Исследователи также изучают способы применения этой техники к другим неметаллическим материалам.

Го и Воробьев используют чрезвычайно мощные, но ультракороткие лазерные импульсы для изменения поверхности металлов. Фемтосекундный лазерный импульс длится порядка четверти миллионной доли секунды, но достигает максимальной мощности, эквивалентной мощности всей энергосистемы Северной Америки во время своего короткого импульса.

Го стремится подчеркнуть, что эта же техника может привести к образованию многофункциональных металлов. Металлы, естественно, являются отличными отражателями света. Вот почему у них блестящий блеск. Поэтому, делая их черными, можно очень эффективно поглощать свет. Сочетание светопоглощающих свойств с водоотталкивающими свойствами металлов может привести к более эффективным солнечным поглотителям — солнечным поглотителям, которые не ржавеют и не требуют особой очистки.

Команда Го ранее взорвала материалы лазерами и превратила их в гидрофильные, что означает, что они притягивают воду. Фактически, материалы были настолько гидрофильны, что при контакте с каплей воды вода стала «подниматься в гору».

Команда Го теперь планирует сосредоточиться на увеличении скорости нанесения рисунка на поверхности с помощью лазера, а также на изучение того, как распространить эту технику на другие материалы, такие как полупроводники или диэлектрики, открывая возможность водоотталкивающей электроники.

Финансирование было предоставлено Фондом Билла и Мелинды Гейтс и Управлением научных исследований ВВС США.

Источник: https://www.photonicsonline.com/doc/laser-generated-surface-structures-create-extremely-water-repellent-metals-0001

Видео по теме:
Процесс лазерного структурирования