Эксперименты в лаборатории
В лаборатории Джонатана Борейко, посвящённой изучению жидкостей и интерфейсов, вдохновлённых природой, аспирант Джек Тапоцик наблюдал за куском льда в форме диска, лежащим на специально созданной металлической поверхности. По мере таяния льда вода образовывала под ним лужу.
Даже после многих секунд таяния кусок льда оставался прикреплённым к специальной поверхности. Сначала Тапоцику хотелось сделать вывод, что ничего не произойдёт, но он подождал. Его терпение было вознаграждено: через минуту кусок льда перелетел через металлическую пластину, спроектированную Борейко, скользя по ней, как будто его двигали сверхъестественным образом.
Важность результатов
Результаты важны, поскольку они имеют множество потенциальных применений. Методы, разработанные членами команды, закладывают основу для быстрого размораживания и новых методов сбора энергии. Их работа была опубликована в ACS Applied Materials & Interfaces.
Вдохновение от природы
Команду вдохновило явление, происходящее на Raceway Playa в Долине Смерти, Калифорния. Это сухое дно озера в национальном парке Долина Смерти является местом появления призрачных валунов размером с арбузы, которые оставляют за собой длинные следы на потрескавшейся земле. Поскольку земля была ровной, а многие камни были плоскими, причина их миграции до недавнего времени оставалась загадкой.
Профессор Гарвардского университета Ричард Норрис выяснил, почему это произошло в 2014 году. Это не сверхъестественное явление, а сочетание твёрдой земли, дождя, льда и ветра. Дождевая вода покрывала землю, но твёрдость почвы не позволяла воде впитываться. Эта вода замёрзла, когда температура упала, а когда она начала таять, образовавшиеся ледяные плоты дрейфовали на ветру, позволяя камням «плыть» по талой воде.
Цель команды Борейко
Борейко и его команда изначально задумали эксперимент в 2019 году. Эксперименты длились три года, а ещё два года потребовалось для создания модели.
Команда Борейко вырезала асимметричные канавки на алюминиевых пластинах. Этот узор «ёлочки», который выглядит как серия каналов в форме наконечника стрелы, заставляет талую воду под ним течь в одном направлении.
«Этот направленный поток талой воды уносил с собой ледяной диск», — сказал Тапоцик. «Хорошая аналогия — катание на тюбингах по реке, только здесь направленные каналы создают поток вместо гравитации».
Из любопытства члены команды попробовали покрыть алюминиевые «ёлочки» водоотталкивающим спреем. Они ожидали увидеть просто более быструю версию диска, приводимого в движение потоком, но, к удивлению, диск прилип к поверхности. Это и привело к открытию эффекта «рогатки».
«На водонепроницаемой поверхности избыток талой воды над каналами очень легко выдавливается», — сказал Борейко. «Это заставляет ледяной диск прилипать к выступам поверхности. Талая вода всё ещё течёт по каналам, но лёд больше не может скользить по ним. Забавная хитрость здесь заключается в том, что когда талая вода течёт за передний край ледяного диска, она создаёт лужу. Наличие плоской лужи с одной стороны ото льда создаёт несоответствие в поверхностном натяжении, которое выбивает лёд и заставляет его лететь по поверхности».
Применение в сборе энергии
Борейко уже представил одно из наиболее перспективных применений: сбор энергии. В этом сценарии он возвращает идею о «гоночных» камнях.
«Если бы структура поверхности была выполнена по кругу, а не по прямой линии, тающий объект постоянно вращался бы», — сказал он. «Теперь представьте, что на лёд помещены магниты, а не валуны. Эти магниты также будут вращаться, что можно использовать для выработки электроэнергии».