Животные и растения защитились от ливня наночастицами воска и микробугорками

Когда капля воды быстро падает на крыло насекомого, перо птицы или лист растения, возникают ударные волны, за счет которых она быстро разбивается на много мелких капелек, сообщается в Proceedings of the National Academy of Sciences. Это уменьшает время контакта жидкости с поверхностью и снижает ущерб, который влага могла нанести организму. В предыдущих исследованиях оценивали, как крылья насекомых и подобные поверхности взаимодействуют с более медленными каплями.

Для тех, кто не может переждать дождь в теплом доме, как люди, это погодное явление порой представляет опасность. Если животное намокнет, оно начнет стремительно охлаждаться и может замерзнуть. А мелкие организмы, например насекомых, дождь может и вовсе сбить на землю. Чтобы защититься от падающей с неба воды, животные развили разнообразные модификации покровов тела: микроскопические чешуйки или нерегулярные выступы на них отталкивают воду.

Механизмы обеспечения гидрофобности у живых организмов обычно изучают, роняя на них капли с небольшой высоты. Но в природе дождь может быть стремительным и сильным, и в таком случае скорость падения капель будет гораздо выше экспериментальной — до 10 метров в секунду. Для бабочки силу от удара такой каплей по крылу можно сравнить с силой, с которой шар для боулинга ударил бы человека, падая с неба. Как с такими дождями справляются покровы тела животных, было не очень понятно.

Сотрудники Корнелльского университета под руководством Кима Сынхо (Seungho Kim) определили, что происходит при быстром падении капель на поверхности листьев растений (Cercidiphyllum japonicum), перьев птиц, а также крыльев различных бабочек и стрекоз. Образцы поверхностей получили из университетских музейных коллекций и из ближайшей посадки (в случае растения). Воду на них лили с высоты двух метров (капли имели радиус от 1,1 до 2 миллиметров) и снимали происходящее на высокоскоростные камеры.

Оказалось, что когда капля воды быстро (со скоростью 3,8 метра в секунду и более) падает на сверхгидрофобное крыло, перо или лист, появляются ударные волны, она разбивается о поверхность и превращается в существенно более мелкие капли. Капли, чья скорость не превышала 0,9 метров в секунду, так не дробились.

Измельчение капель сокращает время контакта воды с поверхностью, за счет чего теряется меньше тепла и снижается сила удара. По-видимому, микроскопические выступы на поверхности действуют на капли как иглы на воздушный шар, а благодаря наночастицам воска остатки воды быстро скатываются с крыла, листа или пера.

Пользуясь полученными данными, исследователи создали несколько искусственных сверхгидрофобных материалов, о которые быстро падающие капли тоже разбивались. Однако они пока хуже биологических, так как не способны самостоятельно восстанавливаться. Организмы постоянно обновляют свои покровы, за счет чего их сверхгидрофобные поверхности служат очень долго. Как восстанавливать микро- и наноструктуру сверхгидрофобных материалов без помощи живых клеток, пока непонятно.

Биологические структуры нередко дают инженерам идеи для создания новых устройств и материалов. Так, вдохновившись строением поверхности крыльев бабочки Pachliopta aristolochiae, ученые из Германии и США создали материал, повышающий эффективность поглощения света солнечными батареями.

Светлана Ястребова