Aliuminio struktūros, kurios sulaiko oro burbuliukus, kad būtų užtikrintas itin didelis plūdrumas, kuriamos naudojant, lazerinį paviršiaus ėsdinimą – procesą, sukurtą siekiant aliuminį padaryti superhidrofobinį (vandeniui atsparų). Ši technika sukuria mikro/nanoskopines duobutes metalo paviršiuje, kurios sulaiko orą, leisdamos tokioms konstrukcijoms, kaip vamzdžiai, išlikti plūdriems, net ir pažeistiems.
Pagrindiniai gamybos procesai:
Lazerinis ėsdinimas: Tyrėjai (pvz., Ročesterio universitete) naudoja didelės galios lazerius aliuminio vamzdžių vidui ėsdinti, sukurdami sudėtingas, vandenį atstumiančias mikroskopines struktūras.
Oro gaudymo mechanizmas: Šios tekstūros veikia, kaip nardymo varpelio voro plaukai, sulaikydami stabilią, nuolatinę oro kišenę.
Struktūros optimizavimas: Siekiant užtikrinti, kad burbulas liktų sulaikytas net ir pakreiptas ar panardintas, vamzdžio centre dažnai pridedamas pertvara.
Medžiagų surinkimas: Gauti vamzdžiai gali būti surinkti į didesnes, nepaskandinamas platformas.
Kiti, labiau paplitę burbuliuojančių aliuminio konstrukcijų kūrimo metodai:
Aliuminio putplasčio plokštės: į išlydytą aliuminį įpurškiamos dujos arba putojimo medžiagos, o tada jis stabilizuojamas keraminėmis dalelėmis, taip sukuriant lengvas, porėtas architektūrines plokštes.
Metalizuota burbulinė folija: aliuminis garais užtepamas ant polimerinės plėvelės, kuri vėliau suformuojama į burbulus izoliacijai.
Palyginimas su laivo korpuso metalu
Kainos skirtumas: šioms orą gaudančioms konstrukcijoms naudojamas aliuminis yra specializuotas ir suprojektuotas, o įprasti laivų korpusai paprastai gaminami iš jūrinės klasės aliuminio (5000/6000 serijos) arba plieno. Specializuoti „neskandinami“ vamzdžiai yra didesnės vertės, nišinis produktas, kurio kilogramo ar kvadratinės pėdos kaina greičiausiai yra daug didesnė nei standartinio aliuminio lakštinio metalo, naudojamo tipiškuose laivų korpusuose.
Bendra aliuminio kaina: aliuminis paprastai yra daug kartų brangesnis nei plienas kaip žaliava laivų statybai, tačiau dėl mažesnio svorio laivai gali būti greitesni ir efektyvesni.
Funkcionalumo palyginimas:
Laivų korpusai: pirmenybę teikite stiprumui, atsparumui korozijai ir konstrukcijos vientisumui.
Oro gaudyklės: pirmenybę teikite paviršiaus chemijai, kad būtų sulaikytas oras (superhidrofobiškumas) ir užtikrintas plūdrumas.
Medžiagų sąnaudų suvestinė lentelė (bendras palyginimas)
Plieniniai korpusai: 50 USD ir daugiau už toną (žaliavos).
Standartiniai aliuminio korpusai: ~1 480 USD už toną (žaliavos).
Specializuotas aliuminis (sulaikantis orą / putplastis): didesnė vieneto kaina nei standartinių korpuso plokščių dėl specializuoto apdorojimo.
„Tyrėjai sukūrė aliuminio konstrukcijas, kurios sulaiko oro burbuliukus, todėl jos gali nuolat plūduriuoti net ir atšiauriausiomis sąlygomis.
Tyrėjai teigia sugalvoję sumanų būdą, kaip aliuminio vamzdžius padaryti nepaskandinamus, saugiai juose sulaikant oro burbuliukus.
Vamzdžiai yra siauri, maždaug penktadalio colio skersmens. Tačiau sukrauti kartu, juos būtų galima surinkti į didesnes konstrukcijas, naudojamas plūduriuojančioms platformoms arba įrenginiams, skirtiems energijai išgauti iš vandenyno bangų virpesių.
„Manau, kad vandenynas vis dar yra didžiulis neišnaudotas išteklius“, – sakė Ročesterio universiteto optikos ir fizikos profesorius Chunlei Guo, vadovavęs darbui, kurio rezultatai praėjusį mėnesį buvo paskelbti žurnale „Advanced Functional Materials“.
O galbūt ši technika padės jums įsigyti gražią plūduriuojančią kėdę savo baseinui.
Net ir mėtomi ar smarkiai pažeisti su skylėmis, vamzdžiai išlieka plūdrūs.
„Jie vis tiek plūduriuos“, – sakė dr. Guo. „Atlikome gana išsamius, tikrai griežtus aplinkos bandymus.“
Andreas Ostendorf, taikomosios lazerių technologijos profesorius Rūro universitete Bochume (Vokietija), kuris nedalyvavo tyrime, pavadino šį atradimą „išties įdomiu“.
„Mes, tyrėjai, ypač inžinerijos srityje, visada ieškome novatoriškų idėjų“, – sakė jis. „Tai gali būti kelias į šios technologijos skverbimąsi į daugelį sričių.“
Aliuminis yra vienas lengviausių metalų, tačiau jis vis tiek yra 2,7 karto tankesnis už vandenį. Įmeskite jo gabalą į vandenyną ir jis nuskęs.
Žinoma, metaliniai objektai, tokie kaip laivai ir tuščios sodos skardinės, plūduriuoja, nes oras juose yra lengvesnis už vandenį. Tačiau jei išorinis apvalkalas praduriamas, vanduo plūsta vidun, o anksčiau plūduriavę objektai nugrimzta į bedugnę.
Kad pagamintų nenuskandinamus aliuminio vamzdelius, Ročesterio mokslininkai chemiškai išgraviravo mikroskopines duobutes konstrukcijų paviršiuose. Dėl vandens paviršiaus įtempimo lašeliai negali įtekėti į duobutes. Vietoj to jie beveik akimirksniu nurieda, o paviršius lieka sausas.
Ši savybė vadinama superhidrofobiškumu – didele vandens baime – ir kai kurie gamtos gyvūnai ja naudojasi. Panašiai kaip mažytės duobutės aliuminio vamzdeliuose, nardančių varpelių vorų ir ugninių skruzdėlių plaukai taip pat atstumia vandenį. Vorai naudoja superhidrofobiškumą orui sulaikyti, leisdami jiems kvėpuoti po vandeniu. Ugninės skruzdėlės išgyvena potvynius susijungdamos į vandeniui atsparius plaustus.
Superhidrofobiniai paviršiai žinomi jau dešimtmečius, tačiau iki šiol jų tyrimai buvo riboti. Kai kurie medicininiai implantai turi vandeniui atsparią dangą, kad būtų išvengta korozijos ir bakterinių infekcijų.
Dr. Guo teigė, kad norėjo sugalvoti „mažiau paprastų“ superhidrofobinių paviršių pritaikymo būdų.
Prieš kelerius metus jo tyrimų grupė paskelbė straipsnį, kuriame aprašyta plūduriuojanti konstrukcija, sudaryta iš dviejų lygiagrečių superhidrofobinių aliuminio diskų, sujungtų plastikiniu kaiščiu. Superhidrofobiniai paviršiai neleido vandeniui tekėti į siaurą tarpą, išsaugodami oro sluoksnį tarp diskų.
Tai veikė, bet kai diskai buvo pakreipti ir stumti žemyn, oras galėjo būti išstumtas. Taigi mokslininkai pradėjo galvoti apie kitas geometrijas, ir vamzdeliai pasirodė esantys tvirtesnės formos nei diskai, ypač su pertvara vamzdelio viduje. Tai neleistų vandeniui tekėti iš vieno galo ir iš kito bei išstumti oro burbuliuko.
Superhidrofobiniai paviršiai vamzdelio viduje vėlgi neleido vandeniui patekti ir neleido orui ištrūkti.
„Tai labai, labai stabilu“, – sakė dr. Guo.
Jie išbandė vamzdžių atsparumą, pasverdami juos tiek sūriame vandenyje, tiek vandenyje, kuriame augo dumbliai. Kadangi vanduo buvo atstumiantis, vamzdžių vidus nerūdija ir dumbliai ten negalėjo augti. Net skylių gręžimas vamzdžiuose nesunaikino jų gebėjimo plūduriuoti.
Dr. Guo teigė, kad jie atliko skaitinę analizę, kuri parodė, kad sudėjus kelis vamzdžių sluoksnius, buvo sukurta struktūra, galinti atlaikyti atšiauriausias vandenyno sąlygas.
Dr. Ostendorfas teigė, kad reikia daugiau darbo, siekiant įrodyti, kad vamzdžiai veiks realiose situacijose. „Yra keletas atvirų klausimų, tačiau principas yra labai gražus ir labai paprastas, ir galbūt jį galima išplėsti“, – sakė jis.
Dr. Guo ir jo kolegos dešimtmečius keitė medžiagos savybes, ant paviršiaus uždėdami mikroskopinius raštus.
2008 m. dr. Guo ir Anatolijus J. Vorobjevas, kitas Ročesterio universiteto tyrėjas, lazeriais įbrėžė metalinius paviršius taip, kad jie vis tiek būtų lygūs, bet pakeistų šviesos sugerties ir atspindėjimo būdą.
Rezultatas buvo aliuminis, kuris atrodė kaip auksas, ir titanas, kuris buvo tamsiai mėlynas.
Vėliau mokslininkai išraižė mažyčius kanalus silicyje, kad sukurtų paviršius, kurie pritrauktų, o ne atstumtų vandenį. Jie pasiūlė, kad tokie paviršiai, žinomi kaip superhidrofiliniai – itin traukiantys vandenį – galėtų būti naudojami kompiuterių lustams aušinti.
Dr. Guo taip pat tyrinėjo spalvingų metalų ir vandenį pritraukiančių paviršių derinimą. Pavyzdžiui, jis panaudojo juodąjį metalą, kad sukurtų prietaisą, vadinamą termoelektriniu generatoriumi, sugeriančiu saulės šviesos ir kitų šaltinių šilumą, kad generuotų elektrą.
„Galima panaudoti bet kokią šilumos perteklių“, – sakė dr. Guo. „Galbūt šalia duslintuvo po automobiliu.“” [1]
1. These Unsinkable Tubes Could Help Harvest Energy From the Ocean: Trilobites. Chang, Kenneth. New York Times (Online) New York Times Company. Feb 15, 2026.
Komentarų nėra:
Rašyti komentarą