В лаборатории «Природа-вдохновлённые жидкости и интерфейсы» под руководством доцента Джонатана Борейко аспирант Джек Тапоцик наблюдал за куском льда в форме диска, лежащим на специально разработанной металлической поверхности. По мере таяния льда вода образовывала под ним лужу.
Даже после многих секунд таяния кусок льда оставался прикреплённым к инженерной поверхности. Сначала Тапоцик был склонен заключить, 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 если бы его двигали сверхъестественные силы.
Результаты важны, поскольку они имеют множество потенциальных применений. Разработанные методы закладывают основу для быстрого размораживания и новых методов сбора энергии. Их работа была опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Вдохновение от природы
Команда была вдохновлена естественным явлением, происходящим на Racetrack 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 поверхности, дождя, льда и ветра. Дождь покрывал землю водой, но твёрдость поверхности не позволяла воде впитываться. Эта вода замерзала при понижении температуры, а когда она начинала таять, образовавшиеся ледяные плоты дрейфовали на ветру, а камни «плыли» по талой воде.
Некоторые камни видели путешествующими вместе, что породило миф о «гоночной дорожке».
Эксперименты
Борейко и бывший аспирант Саураб Нат задумали эксперимент ещё в 2019 году, но его завершение заняло три года, а ещё два года потребовалось для доработки модели.
Команда Борейко вырезала на алюминиевых пластинах асимметричные канавки. Этот узор «ёлочка», который выглядит как серия каналов в форме наконечника стрелы, заставляет талую воду под ним течь в одном направлении.
«Этот направленный поток талой воды уносит 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
Борейко уже представил одно из наиболее перспективных применений: сбор энергии. В этом сценарии он возвращает идею о «гоночных» камнях. «Если бы структура поверхности была узорчатой по кругу, а не по прямой линии, тающий объект постоянно вращался бы», — сказал он. «Теперь представьте, что вы кладёте на лёд магниты, а не валуны. Они также будут вращаться, что можно использовать для выработки электроэнергии».
ACS Applied Materials & Interfaces.”,”The team was inspired by a naturally occurring phenomenon at Racetrack Playa in Death Valley, California. This dry lake bed in Death Valley National Park is host to a ghostly display of boulders the size of watermelons that make long trails in the cracked earth, left behind by their apparent movement. Because the ground was level and many of the rocks were flat, the reason for their migration remained a mystery until recently.”,”Harvard University Professor Richard Norris found out why this happened in 2014. Rather than a supernatural occurrence, it was a combination of hard ground, rain, ice, and wind. Rainfall covered the ground with water, but the hardness of the ground prevented the water from being absorbed.”,”This water froze when the temperature dropped, and as it later started to melt, the resulting ice rafts drifted in the breeze for the rocks to \”sail\” across the meltwater. Some of the rocks have been seen traveling together, which gave rise to the \”racetrack\” mythos.”,”While Norris solved a mystery of the rocks, Boreyko’s team was seeking something new: Its members wanted to create a surface that would propel melting ice all by itself, without any wind required. They wanted to harness the science of the racing rocks.”,”Initially conceived by Boreyko and former graduate student Saurabh Nath back in 2019, the experiments took three years to complete with two more years needed for the model.”,”Boreyko’s team cut asymmetric grooves into aluminum plates. This herringbone pattern, which looks like a series of arrowhead-shaped channels, causes the underlying meltwater to flow in one direction.”,”\”This directional flow of meltwater carried the ice disk along with it,\” said Tapocik. \”A good analogy is tubing on a river except here, the directional channels cause the flow instead of gravity.\””,”Out of curiosity, team members tried coating the aluminum herringbones with a water-repellent spray. They expected to simply see a faster version of the disk getting propelled by the flow, but surprisingly, the disk stuck to the surface instead. This is what led to the discovery of the slingshot effect.”,”\”On a waterproof surface, the excess meltwater above the channels gets squeezed out very easily,\” Boreyko said.”,”\”This makes the ice disk stick to the surface’s ridges. The meltwater is still flowing along the channels, but the ice can’t ride along anymore. The fun trick here is that as the meltwater flows beyond the front edge of the ice disk, it creates a puddle. Having a flat puddle on one side of the ice creates a mismatch in surface tension, which dislodges the ice and causes it to shoot across the surface.\””,”By comparison, the movement of the \”racing\” rocks in Death Valley is quite slow, and they don’t shoot like slingshots. It’s not likely to become an official competition, but Boreyko’s surfaces are winning over the Racetrack Playa for having the fastest ice on Earth.”,”Boreyko has already imagined one of the most high-impact applications: energy harvesting. In that scenario, he brings back the idea of the racing rocks.”,”\”If the surface structure were patterned in a circle rather than a straight line, the melting object would continually rotate,\” he said. \”Now imagine putting magnets on top of the ice, rather than boulders. These magnets would also rotate, which could be used for power generation.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tVirginia Tech\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник