Įsivaizduokite medžiagą, kurios neįmanoma sudrėkinti ar sutepti – nei vandeniu, nei gerokai agresyvesnėmis medžiagomis. Nors hidrofoninės dangos pačios savaime nėra naujiena, didžiausias iššūkis visada buvo sukurti tokį paviršių, kuris kartu būtų ir itin tamprus, ir atsparus ypač ėdžioms cheminėms medžiagoms. Panašu, kad Šiaurės Amerikos mokslininkų komandai pavyko pasiekti reikšmingą proveržį.
Tradiciniai superhidrofobinių dangų gamybos metodai turėjo rimtą trūkumą – tokie paviršiai buvo standūs ir trūkinėjo juos tempiant. Nauja technika, paremta lazerine abliacija, leidžia vienu procesu suformuoti mikroskopinę medžiagos struktūrą ir taip atsisakyti toksiškų cheminių medžiagų naudojimo. Toks požiūris ne tik supaprastina gamybą, bet ir suteikia medžiagai išskirtinį elastingumą. Sėkmės raktas – lazerio ir dirbtinio intelekto derinys.
Žalingus chemikalus pakeičia lazeris: naujas būdas kurti paviršius
Užuot purškę nanodalelių dangas, Šiaurės Karolinos valstijos universiteto („North Carolina State University“) mokslininkai pasitelkė itin tikslų lazerį elastomero paviršiuje išgarinti taškus ir taip suformavo mikroskopinių iškilimų tinklą. Šių struktūrų plotis siekia nuo 10 iki 100 mikrometrų, o būtent tokia šiurkštuma ir lemia medžiagos gebėjimą atstumti skysčius.
Didžiausias iššūkis šiame procese buvo tiksliai parinkti lazerio darbo parametrus – galią, impulsų dažnį ir kitus nustatymus. Galimų kombinacijų skaičius milžiniškas, tad bandymai vien rankiniu būdu būtų užtrukę daugelį metų. Dėl šios priežasties komanda pasitelkė mašininio mokymosi algoritmus. Dirbtinis intelektas vos per kelias dienas optimizavo procesą taip, kaip tradiciniais metodais būtų pavykę tik po mėnesių.
Bazinei struktūrai sukurti tyrėjai naudojo siloksano elastomerą, papildomai sustiprintą fluoro junginiu, kuris dar labiau pagerino medžiagos vandens atstūmimo savybes.
Elastingumas, kuris stebina: 400 % tempimas be savybių praradimo
Įspūdingiausia tai, kaip naujasis paviršius elgiasi mechaniškai apkrautas. Medžiaga išlaiko savo „atstumiančias“ savybes net tada, kai ištempiama iki penkis kartus daugiau už pradinį ilgį – tai atitinka 400 % deformaciją. Dar daugiau – ji be pažeidimų atlaikė daugiau nei 5000 tempimo ir atsistatymo ciklų.
Tokią ištvermę lemia vientisa, lazeriu suformuota struktūra. Anksčiau naudota technologija, kai ant jau suformuotų iškilimų buvo purškiama danga, turėjo rimtą trūkumą: kritiniuose įtempimo taškuose danga trūkinėdavo ir sluoksniuodavosi. Dabar, kai visa struktūra yra nedaloma, deformacijos jos esminių savybių nesunaikina. Palyginimui, senesnės technologijos pradėdavo prarasti funkcionalumą jau ties 100 % tempimo riba.
Kur tai bus panaudota? Minkšti robotai, išmanūs tvarsčiai ir apsauginiai drabužiai
Potencialių tokios medžiagos pritaikymų spektras labai platus, nors kol kas daugiausia kalbama apie laboratorinius prototipus. Viena akivaizdžiausių krypčių – minkštoji robotika: tai robotai, galintys saugiai veikti chemiškai agresyviose aplinkose ir keisti formą neprarasdami apsauginių savybių.
Kitas svarbus taikymo laukas – dėvimoji, tampri elektronika, kuri nešiojama tiesiogiai ant kūno. Tokiai įrangai itin svarbu apsisaugoti nuo prakaito, kosmetikos, vaistinių tepalų. Medicinoje ši medžiaga galėtų būti naudojama gaminant tekstilinius tvarsčius, veiksmingai atstumiančius kūno skysčius ir taip palengvinančius žaizdų gijimą.
Idėjos neapsiriboja vien robotika ir medicina. Mokslininkai svarsto galimybę kurti dirbtinę odą pažangioms protezų sistemoms ar humanoidiniams robotams, taip pat lengvesnius ir patogesnius apsauginius drabužius chemijos pramonėje dirbantiems žmonėms.
Draugiškesnė aplinkai ir pigesnė gamyba
Lazerinė metodika pasižymi ne tik preciziškumu, bet ir didesniu draugiškumu aplinkai. Ji leidžia atsisakyti ėdžių tirpiklių, kurie iki šiol buvo būtini purškiamoms dangoms gaminti ir vėliau sukeldavo atliekų utilizavimo problemų. Tai mažina gamybos kaštus ir aplinkosauginį pėdsaką – svarbų argumentą, kai kalbama apie technologijos diegimą pramoniniu mastu.
Patys tyrėjai pabrėžia, kad svarbiausia čia yra ne vienas konkretus išradimas, o universali platforma naujo tipo medžiagoms projektuoti. Publikacija prestižiniame žurnale „Matter“ tik patvirtina darbo reikšmę.
Vis dėlto tikrasis išbandymas dar laukia – tai perėjimas nuo laboratorinių bandymų prie masinės, ekonomiškai pagrįstos gamybos. Technologijų istorijoje netrūksta viltingų sprendimų, kurie šiame etape įstrigo. Tačiau jeigu šį kartą barjerą pavyks įveikti, per artimiausius kelerius metus galime sulaukti elastingų, savaime išsivalančių audinių ir minkštųjų robotų, galinčių dirbti net koncentruotų rūgščių aplinkoje.
