Китайские и гонконгские физики сделали искусственный аналог побега араукарии, который направляет жидкости с разным поверхностным натяжением в разные стороны. Если краевой угол меньше 40 градусов, то жидкость потечет в направлении «роста» чешуек на поверхности, а если меньше, то в противоположном. В будущем такие материалы можно использовать, например, для окрашивания тканей или опреснения воды, пишут ученые в Science.
В зрелом возрасте у некоторых видов араукарии (Araucaria), тропического хвойного дерева, иголки превращаются в необычные листья. Вместо длинных игл на побегах формируется чешуя из довольно широких загнутых листьев.
Особенность этой спиральной гидрофильной чешуи в том, что она по-разному реагирует на жидкости с разным поверхностным натяжением. Если угол смачивания сравнительно маленький — например, как у этилового спирта, то жидкость потечет туда, куда наклонены листья. Но если угол смачивания превышает 40 градусов, как, например, у воды, то жидкость потечет в противоположном направлении — фактически «против шерсти».
Физики под руководством Цзуанькая Вана (Zuankai Wang) из Городского университета Гонконга решили разобраться, как араукария разделяет жидкости, и сделали искусственную поверхность с аналогичными свойствами. Для многих практических приложений, например в микрофлюидике, направленный транспорт жидкостей и разделение их по поверхностной энергии — полезный инструмент, который может пригодиться и для технических задач (например сбора воды или охлаждения микроустройств), и для более сложных устройств для биохимического или медицинского анализа. Поверхности со заданным микрорельефом можно использовать и как внутреннюю стенку закрытой трубки, и как открытую поверхность (как это, собственно, делает араукария). Подробнее о принципах работы микрофлюидных систем с открытыми поверхностями вы можете прочитать в нашем материале «Инспирировано буком».
Внимательно изучив геометрию листьев араукарии, физики с помощью фотолитографии сделали искусственную поверхность с аналогичной структурой. Чешуйки на ней выстроили параллельными рядами, так что между соседними чешуйками было 750 микрометров, а между рядами — один миллиметр. Две главные черты этих зубцов — угол, под которым они выходят из поверхности (40 градусов), и закрученность сразу в двух измерениях. Радиус кривизны относительно оси зубца составлял 400 микрометров, а относительно линии его закрепления на поверхности — 650 микрометров.
Чтобы проверить, действительно ли такая сложная поверхность направляет разные жидкости в разные стороны, ученые запустили по ним струйки растворов с разным поверхностным натяжением (с краевым углом от 15 до 80 градусов). Оказалось, что жидкости действительно текут по такой зубчатой поверхности в разных направлениях: если краевой угол больше 42 градусов — течение будет «против шерсти», а если меньше — «по шерсти».
Происходит это из-за того, что движение жидкостей не непрерывное, а скачкообразное между точками пиннинга краевой линии (где она удерживается до момента, пока она не накопит достаточно энергии для следующего перескока). На один период зубчатой текстуры приходится четыре таких точки: две на верхушках зубцов, и две — в их нижних углах.
Если краевой угол маленький, то при натекании жидкость будет течь по нижней поверхности, добираясь сначала до нижних точек пиннинга и подтекая затем под следующую чешуйку. Если краевой угол большой — то, наоборот, жидкость натекает на листья сверху и перепрыгивает между верхними точками пиннинга. В первом случае течение против наклона чешуйки ей же и тормозится, поэтому предпочтительное направление течения будет «по шерсти». Во втором случае — жидкость покрывает торчащую навстречу чешуйку сверху и поэтому потечет «против шерсти».
Авторы работы отмечают, что задавать таким образом движение жидкостей может быть полезным не только для научных задач, но и для промышленных процессов: окрашивания тканей, опреснения воды или подавления коррозионных процессов.
Если у ньютоновских жидкостей пиннинг краевой линии влияет в первую очередь на динамику растекания и пропитки, то у полимерных гелей он может влиять на механические свойства и форму. Например, недавно физики обнаружили, что именного пиннинг краевой линии определяет форму морщин упругого полимерного материала при сжатии и приводит к появлению гистерезиса при деформации.
Александр Дубов