Лотос и самоочищающиеся покрытия
Вот недавняя новость. Израильские учёные создали водоотталкивающее покрытие для солнечных панелей — оно защищает их от частичек пыли и грязи. Загрязнение поверхностей фотоэлементов — это серьёзная проблема, требующая эффективного решения. Теперь расходы на их очистку могут резко уменьшиться.
А помогло учёным наблюдение за лотосами. «Лист лотоса всегда остаётся чистым благодаря особой наноструктуре его поверхности и тонкому слою из воска, который отталкивает воду, — пояснила Табеа Хекенталер, физик из Университета имени Бен-Гуриона. — Мы попытались скопировать этот эффект для защиты солнечных батарей от пыли, которая постоянно накапливается на их поверхности в условиях пустыни».
Как показали опыты, аналоги листа лотоса понижают силу сцепления воды с поверхностью фотоэлемента в 30 раз. Благодаря этому эффекту более 98% пылинок любых размеров не в состоянии прилипнуть к солнечным панелям и легко смываются с их поверхности дождём или другим источником воды.
Нельзя сказать, что израильские учёные совершили революционное открытие. Продукция, имитирующая гидрофобные свойства лотоса, выпускается давно. Так, одна немецкая компания производит водоотталкивающие краски: покрытые ими стены домов не нуждаются в очистке, поскольку не собирают уличную грязь.
Акулья кожа и антимикробные материалы.
Похожими свойствами обладает кожа акул. Исследователи морей и океанов всегда удивлялись: почему к их телам, в отличие от других обитателей глубин, не липнут водоросли и ракушки?
В 2003 году американский инженер Тони Бреннан, изучив акулью кожу, решил создать покрытие для кораблей ВМС США, предотвращающее обрастание их корпусов ракушками. Он обратил внимание, что кожа акул покрыта крошечными чешуйками и зубчиками. По этой причине за неё не могут зацепиться не только водоросли и рачки, но даже бактерии!
Тони Бреннан сделал покрытие для кораблей из пластмассы и каучука. Составленное из миллиардов крошечных брусочков, оно уменьшило прилипание водорослей на 85%. А исследователи из компании Sharklet пошли ещё дальше. Они стали изготавливать плёнки и материалы, отпугивающие микробов. Их поверхность состоит из миллионов микроскопических элементов, расположенных в виде ромбовидного узора. Эта структура не даёт бактериям прикрепляться и создавать колонии. Такой плёнкой можно покрывать выключатели, клавиатуры, дверные ручки и пр. Для начала хотя бы в больницах и поликлиниках.
Репейник и застёжка-липучка
Этот случай является хрестоматийным в истории бионики. В 1941 году швейцарский инженер Жорж де Местраль, вернувшись с прогулки по лесу, заинтересовался, почему колючки репейника так прочно прицепились к его свитеру и к шерсти его собаки. Положив один из плодов растения под микроскоп, он внимательно рассмотрел его и обнаружил мельчайшие крючки — благодаря им головка репейника и цепляется к шерсти.
Так швейцарцу пришла мысль сделать застёжку. Несколько лет он испытывал сочетания крючков и петелек в различных материалах, пока не остановился на нейлоне. В 1955 году де Местраль запатентовал своё изобретение. Со временем застёжки-липучки (за рубежом они известны как велкро) стали неотъемлемой деталью повседневной одежды и обуви.
Бедренная кость и Эйфелева башня
В процессе эволюции скелеты животных (в том числе человека) становились всё более прочными и одновременно лёгкими. Живший в первой половине XIX века немецкий палеонтолог Герман фон Майер описал строение бедренной кости человека и объяснил, почему она не ломается под его весом.
Принцип, заложенный природой, нашёл применение в архитектуре. Когда инженер Гюстав Эйфель взялся за расчёты ажурного металлического сооружения, ставшего впоследствии символом Парижа, он ориентировался в том числе на труды немецкого палеонтолога. В основу конструкции башни были положены принципы строения скелета, а именно бедренной кости.
Кроме того, как было замечено впоследствии, своей ажурностью Эйфелева башня похожа на морской организм под названием радиолярия (или лучевик). Её скелет состоит из многочисленных, геометрически правильно расположенных игл. Этот же принцип позволил инженерам сооружать прочные и лёгкие конструкции — не только Эйфелеву башню, но и многочисленные мосты по всему миру. Такие сооружения мало весят, но имеют большой запас прочности.
Лапа геккона и сверхлипкая ткань
Ящерица геккон способна бегать по совершенно гладким отвесным поверхностям и даже висеть вверх ногами. Её секрет пытался разгадать ещё Аристотель, затем над ним ломали головы средневековые учёные. Лишь после изобретения электронного микроскопа удалось рассмотреть лапу геккона во всех подробностях. Выяснилось, что его пальцы покрыты чрезвычайно тонкими волосками микроскопической длины. Концентрация их очень высока. Каждый волосок делится на ещё более мелкие. Подсчитано, что на 1 кв. см лапы геккона приходится 2 млрд щетинок, которыми он соприкасается с поверхностью!
При контакте с поверхностью эти крошечные волоски создают силу межмолекулярного взаимодействия, именуемую вандерваальсовой силой. Благодаря ей ящерица массой 50 граммов способна удерживать на лапках груз весом до 2 килограммов. И, разумеется, саму себя тоже.
Идея, подсмотренная у геккона, была использована во множестве изобретений. Трое выпускников Массачусетского университета в Амхерсте наладили выпуск сверхлипкой ткани, которая удерживает на стене предметы значительной массы. При этом её можно без больших усилий снимать и использовать много раз.
Агентство DARPA создало по этому принципу альпинистское снаряжение, позволяющее человеку взбираться на отвесную стену. А в NASA разработали аналогичное крепление. Наконец, были сконструированы промышленные роботы, которые могут перемещаться по вертикальной стеклянной поверхности, как те же гекконы.
Клюв зимородка и сверхскоростной поезд
В 1964 году в Японии был построен первый поезд «Синкансэн», способный разгоняться до 190 км/ч. Однако возникла проблема: при выезде из тоннеля поезд издавал громкий хлопок. Пассажиры были недовольны. Причина неприятного звука была в том, что состав толкает перед собой воздух, создавая стену ветра. Вырываясь за пределы тоннеля, эта воздушная масса и производила хлопок. А сам поезд испытывал колоссальное давление.
В конце 1990-х инженер Идзи Накацу задумался о том, что не мешало бы изменить форму лобовой части поезда. Надо, чтобы он входил в тоннель, разрезая воздух подобно ныряльщику. Например, как птичка зимородок, которая ныряет в воду за рыбой, практически не производя брызг.
Накацу обратил внимание на строение клюва зимородка. Он достаточно длинный и при этом широкий. Инженер стал экспериментировать с различными конфигурациями локомотива и пришёл к выводу, что именно клюв зимородка является идеальной для него формой.
Сегодня японские высокоскоростные поезда имеют вытянутую, похожую на птичий клюв лобовую часть. Кроме того, что она помогает тихо и спокойно выезжать из тоннелей, она ещё даёт прибавку скорости в 10% и снижение расхода топлива на 15%.
Глаз лобстера и рентгеновский «фонарь»
В 2007 году правительство США вложило несколько миллионов долларов в исследования зрительной системы лобстеров. С чего бы это?
Дело в том, что эти ракообразные живут в тёмных океанских глубинах и используют особый принцип зрения. В отличие от человеческого глаза, который видит изображение в преломлённом виде (нашему мозгу приходится его расшифровывать), глаз лобстера видит прямое отражение. Он фокусируется на небольшой области, а свет, отраженный этой областью, позволяет ему видеть окружающую обстановку и формирует изображение.
Ученые решили воспроизвести этот приём для создания компактного рентгеновского аппарата. Технология под названием LEXID позволяет оператору «видеть» сквозь препятствия с помощью маломощного пучка рентгеновских лучей. Устройство посылает этот пучок сквозь объект, и часть из них возвращается, отразившись от препятствия. Обратные сигналы, как и в глазу лобстера, проходят через крошечные трубки, создавая на экране изображение.
Такой портативный рентгеновский «фонарь» применяется при досмотре в аэропортах, на таможенных пунктах, в работе полиции и много где ещё.
Михаил Карпов
Технологии, о которых вы должны знать в 2020 году: