Zvětšit obrázek

Námraza na křídlech letadel může způsobit tragédii. Kredit: NASA Glenn Research Center

Zima je přede dveřmi, kdykoliv můžeme očekávat příliv chladného vzduchu, ve kterém nebude sněžit, ale pršet. Následky dobře známe – náledí. Sice zajímavé, někdy i krásné, ale zároveň strašidelné záběry stromů, aut, elektrického napětí obalených tíživou vrstvou ledu každým rokem kolují internetem v mailových přílohách.

Podchlazené drobné kapky vody se stávají příčinou tragedií. Nejen když okamžitě zamrznou na studeném povrchu vozovek a chodníků, ale i na křídlech letadel. Způsobily již několik leteckých neštěstí, ta poslední se odehrála ne tak dávno, v únoru 2009. Nezabránil jí ani hydrofobní (vodoodpudivý) povrch křídel, ani běžně v letectví používaný preventivní postřik rozmrazovací látkou, například propylenglykolem nebo etylenglykolem (Fridexem).

Nové materiály a více vodoodpudivé povrchy – to je jeden ze směrů, kterým se ubírá snaha problém zmírnit, nebo dokonce zcela eliminovat. V odborném časopisu ABS Nano se před týdnem objevil článek, v němž vědci z Harvard University v Cambridge, v americkém státě Massachusetts představují povrch, který je super-hydrofobní, tedy ještě lépe vodoodpudivý. Tým pod vedením Joanny Aizenbergové z Katedry materiálového výzkumu, jež je zároveň členkou Wyssova ústavu pro technologie inspirované biologií, si vzal příklad z přírody, kde zcela nesmáčivé povrchy evoluce dávno „vymyslela“. Díky nim se například nepotopí bruslařky a vodoměrky, vodní ploštice prohánějící se po hladině vody. Způsobují to mikroskopické chloupky pokryté tenkou vrstvičkou vodoodpudivého vosku, které pokrývají jejich dlouhé nohy. Chloupky mají navíc i jemné drážky, bránící uvězněnému vzduchu uniknout.

Zvětšit obrázek

Znázornění kontaktního úhlu u hydrofobního a hydrofilního materiálu. Na superhydrofobních površích se kapka téměř nedeformuje a úhel je větší než 150°.

Tajemství tedy spočívá v mikrostruktuře povrchu materiálu, který je sám vodoodpudivý. Laik by očekával, že když bude absolutně hladký, voda má nejmenší šanci se na něm udržet. Příroda i lidské bádání však prokázaly, že očím neviditelné pravidelné „gravírování“ nanometrových rozměrů tuto vlastnost zvyšuje. Zvětšuje se tím kontaktní úhel mezi povrchem kapky a povrchem materiálu, na který dopadla (obrázek vlevo). U vodopřilnavých (hydrofilních) látek je tento sklon menší než 30°. Kapka, kterou „pohromadě“ drží jenom vnitřní elektrostatické síly mezi polárními molekulami vody, se snaží na nich co nejvíce se zploštit. U vodoodpudivých (hydrofobních) materiálů se kontaktní úhel zvyšuje až na 120° a kapka je se deformuje mnohem méně. U takzvaných superhydrofobních povrchů úhel přesahuje 150° a kapka je téměř dokonale sférická, jenom nepatrně stlačována gravitací a ne přilnavostí k svému podkladu. To způsobuje, že kinetická energie dopadu stačí na to, že i když se kapka zprvu „rozpleskne“, vzápětí ji vnitřní síly opět zkompaktní a ona od povrchu doslova odskočí.

Zvětšit obrázek

Tým Joanny Aizenbergové odzkoušel několik nano-vzorů vytvořených na vrstvě běžně používaného hydrofobního materiálu – fluorovaného křemíku. Různé struktury a jejich měřítko jsou v pravém sloupci na obrázku vpravo. Devět snímků zobrazuje chování kapky vody na hydrofilním (A), hydofobním (B) a zkoumaném superhydrofobním (C) povrchu 10 sekund a 10 minut po dopadu. Zkratka CA označuje kontaktní úhel. Kredit: J. Aizenberg Lab.

Následující video odhaluje, jak se kapka vody chová po dopadu na hydrofilní, na hydrofobní a na nový superhydrofobní povrch (Načítání do nového okna se spustí kliknutím na obrázek. Kredit: J. Aizenberg Lab.):

Zvětšit obrázek

Na tři různé povrchy podchlazené na teplotu -30 °C byly současně, z výšky 10 cm spouštěny kapky o teplotě 20 °C. Voda okamžitě zmrzla (A). Povrchy byly pod sklonem 15°. Při vzestupu teploty na 0 °C voda ze superhydrofobního povrchu odtekla jako první, navzdory tomu, že led byl předtím propojen na obou sousedních površích. Voda superhydrofobní povrch nesmáčí. Kredit: J. Aizenberg Lab.

Voda dokáže z mírně skloněného podchlazeného superhydrofobního povrchu odskočit a odtéci bez jeho smočení ještě dříve, než se v ní stihnou vytvořit krystalizační jádra způsobující v podstatě okamžitou řetězovou proměnu v led. To funguje až do teploty -25 °C až -30 °C. Při teplotě ještě nižší již nic neuchrání materiál před namrzáním ledu. Ale jak znázorňuje obrázek vpravo, i v tomto případě se po zvýšení teploty projeví lepší vodoodpudivé vlastnosti nového povrchu. Krátké video dokazuje, že i když se vytvoří na fluorovaném křemíku s povrchovou nanostrukturou ledová kapka, na její odstranění stačí slabá síla. Ve vnějších podmínkách by to možná zvládl silnější vítr, nebo vlastní tíha větší ledové vrstvy na skloněném povrchu (Kredit: J. Aizenberg Lab.):

Využití v praxi si vyžaduje celou řadu dalších testů. Bylo by zajímavé vědět, jestli se povrchová struktura nemůže časem zanést nečistotami a tak ztratit požadované vlastnosti. Nebo jak se chová, když nejdříve začne na podchlazený substrát sněžit a pak pršet. I když se v tiskové zprávě uvádí, že by výsledek výzkumu mohl vyřešit enviromentální zátěž, které zimní solení komunikací přináší, je těžké si představit, že by někdo reálně uvažoval o použití fluorovaného křemíku se speciální povrchovou úpravou pro tyto účely. Vytvořit superhydrofobní, vysoce mechanicky odolný a zároveň dostatečně levný povrch zřejmě tak jednoduché nebude.

Vraťme se ale na okamžik k listům lotosu, které problém s mrazem řešit nemusí. Kratičké video detailně přibližuje, jakým důmyslným způsobem se i ve vodě dokážou udržet v suchu.

Zdroje: Harvard School of Engineering and Applied Sciences , ACS Nano