Эффект сальвинии - Salvinia effect

Сальвиния гигантская (S. Molesta) при разном увеличении; на изображении SEM d) видны кристаллы водоотталкивающего воска и четыре не содержащих гидрофильного воска ячеек на кончиках волос.

В Эффект сальвинии описывает постоянную стабилизацию воздушного слоя на иерархически структурированной поверхности, погруженной в воду. На основе биологических моделей (например, плавающих папоротников Сальвинии, пловец Notonecta ), биомиметические поверхности Salvinia используются в качестве покрытий, снижающих сопротивление (до 30% уменьшение было ранее измерено на первых прототипах.[1][2] При нанесении на корпус корабля такое покрытие могло бы позволить лодке плавать в воздушном слое; снижение потребления энергии и выбросов. Такие поверхности требуют чрезвычайно водоотталкивающей супергидрофобной поверхности и эластичной волосистой структуры в миллиметровом диапазоне для захвата воздуха при погружении в воду. Эффект сальвинии был обнаружен биологом и ботаником Вильгельмом Бартлоттом (Боннский университет) и его коллегами и исследовался на нескольких растениях и животных с 2002 года. Публикации и патенты были опубликованы между 2006 и 2016 годами.[3] Лучшие биологические модели - плавающие папоротники (Сальвиния) с очень сложной иерархической структурой волосатых поверхностей,[4] и пловцы на спине (например,Notonecta) со сложной двойной структурой волосков (щетинок) и микроворсинок (микротрихий). Три из десяти известных видов Salvinia демонстрируют парадоксальную химическую гетерогенность: гидрофильные кончики волос в дополнение к супергидрофобной поверхности растений дополнительно стабилизируют воздушный слой.[5]

Сальвинии, Notonecta и другие организмы с воздухоудерживающими поверхностями

Погружен в воду, обладает исключительно водоотталкивающими свойствами (супергидрофобный ), структурированные поверхности удерживают воздух между конструкциями, и этот воздушный слой сохраняется в течение определенного периода времени. Серебристый блеск из-за отражения света на границе раздела воздуха и воды виден на погруженных поверхностях.

Прочные воздушные слои также встречаются у водных членистоногих, которые дышат через физические жабры (пластроны). E. грамм. водяной паук (Аргиронета ) и ошибка блюдца (Афелохейрус) Воздушные слои, вероятно, также способствуют снижению трения у быстро движущихся животных под водой, как в случае с пловцом на спине. Notonecta.[6]

Самыми известными примерами длительного удержания воздуха под водой являются плавающие папоротники рода Сальвинии. Около десяти видов самых разных размеров встречаются в непроточной воде во всех более теплых регионах земли, один широко распространенный вид (S. natans ), встречающиеся в умеренном климате, можно найти даже в Центральная Европа. Вероятно, способность удерживать воздух - это способ выживания этих растений. Верхняя сторона плавающих листьев обладает высокой водоотталкивающей способностью и имеет очень сложные и характерные для каждого вида волоски.[4] У некоторых видов есть многоклеточные свободно стоящие волоски длиной 0,3–3 мм (например, S. cucullata ), в то время как на других два волоска соединены на концах (например, S. oblongifolia ). S. minima и S. natans иметь четыре свободно стоящих волоска, соединенных на единой основе. Гигантская Сальвиния (С. Молеста ), а также S. auriculata и другие близкородственные виды демонстрируют самые сложные волоски: четыре волоска растут на общем стержне; они связаны на их кончиках. Эти структуры напоминают микроскопические взбивалки для яиц и поэтому называются «трихомами для взбивания яиц». Вся поверхность листа, включая волоски, покрыта наноразмерными кристаллами воска, которые обеспечивают водоотталкивающие свойства поверхности. Таким образом, эти листовые поверхности являются классическим примером «иерархического структурирования».[4]

Волосы взбивания яиц Сальвиния молеста и близкородственные виды (например, S. auriculata) обладают еще одним замечательным свойством. Четыре ячейки на кончике каждого волоса (якорные ячейки),[3] в отличие от остальных волос, не содержат воска и, следовательно, гидрофильный; по сути, смачиваемые острова, окруженные супергидрофобной поверхностью. Эта химическая неоднородность,[5] то Сальвинии Парадокс, позволяет закрепить границу раздела воздух-вода с растением и увеличивает давление и долговременную стабильность воздушного слоя.[5][7]

Поверхность плавающего папоротника, удерживающая воздух, не снижает трения. Экологически чрезвычайно адаптируемая гигантская сальвиния (S. Molesta) является одним из наиболее важных инвазивных растений во всех тропических и субтропических регионах Земли и является причиной как экономических, так и экологических проблем.[8] Скорость его роста может быть самой высокой из всех сосудистых растений. В тропиках и в оптимальных условиях С. Молеста может удвоить свою биомассу в течение четырех дней. Эффект сальвинии, описанный здесь, скорее всего, играет важную роль в его экологическом успехе; многослойные плавающие растительные маты предположительно сохраняют свою функцию газообмена в воздушном слое.

Принцип работы

Пловец (Notonecta glauca) под водой: серебристый отблеск исходит от света, отражающегося от границы раздела между воздушным слоем на крыле и окружающей водой.

Эффект Сальвинии определяет поверхности, которые способны постоянно удерживать относительно толстые воздушные слои в результате их гидрофобного химического состава в сочетании со сложной архитектурой. [9] в нано- и микроскопических размерах.

Это явление было обнаружено в ходе систематических исследований водных растений и животных Вильгельмом Бартлоттом и его коллегами из Боннского университета в период с 2002 по 2007 год.[10] Были определены пять критериев,[11] они обеспечивают существование стабильных слоев воздуха под водой и по состоянию на 2009 год определяют эффект Сальвинии:[12] (1) химия гидрофобных поверхностей в сочетании с (2) наноскалические структуры создают супергидрофобность, (3) микроскопические иерархические структуры в диапазоне от нескольких зеркал до нескольких миллиметров с (4) поднутрениями и (5) эластичными свойствами. Упругость, по-видимому, важна для сжатия воздушного слоя в динамических гидростатических условиях.[13] Дополнительным критерием оптимизации является химическая неоднородность гидрофильных наконечников (Salvinia Paradox[4][6]). Это яркий пример иерархического структурирования на нескольких уровнях.[12]

У растений и животных удерживающие воздух поверхности с эффектом сальвинии всегда фрагментированы на небольшие отсеки длиной от 0,5 до 8 см, а границы герметизированы от потери воздуха особыми микроструктурами.[1][3][14] Отсеки с герметичными краями также важны для технических приложений.

Принцип работы показан на примере Giant Salvinia.[4] Листья С. Молеста способны длительное время удерживать на своей поверхности воздушный слой при погружении в воду. Если лист опустить под воду, поверхность листа приобретет серебристый блеск. Отличительная черта С. Молеста заключается в долгосрочной стабильности. Хотя воздушная прослойка на большинстве гидрофобный поверхности исчезают вскоре после погружения, С. Молеста способен стабилизировать воздух от нескольких дней до нескольких недель. Таким образом, временной интервал ограничен только сроком службы листа.

Схематическое изображение стабилизации подводных слоев воздуха, удерживаемых гидрофильными якорными клетками («парадокс сальвинии»).

Высокая устойчивость - следствие, казалось бы, парадоксального сочетания супергидрофобный (чрезвычайно водоотталкивающая) поверхность с гидрофильный (привлекательные для воды) пятна на концах конструкций.

При погружении в воду вода не может проникнуть в пространство между волосками из-за гидрофобности поверхностей. Однако вода прикрепляется к кончику каждого волоса четырьмя свободными от воска (гидрофильными) концевыми клетками. Эта фиксация приводит к стабилизации воздушного слоя под водой. Принцип показан на рисунке.

Схематично показаны две погруженные воздухоудерживающие поверхности: с левой стороны: гидрофобная поверхность. Справа: гидрофобная поверхность с гидрофильными наконечниками.

Если отрицательное давление На чисто гидрофобных поверхностях (слева) быстро образуется пузырек, растягивающийся на несколько структур. С увеличением отрицательного давления пузырь растет и может оторваться от поверхности. Пузырь воздуха поднимается к поверхности, а слой воздуха уменьшается до полного исчезновения.

В случае поверхности с гидрофильными якорными ячейками (справа) вода прикрепляется к концам каждой структуры гидрофильной накладкой наверху. Эти связи позволяют образовывать пузырь, растягивающийся на несколько структур; высвобождение пузыря подавляется, потому что сначала нужно разорвать несколько ссылок. Это приводит к увеличению энергозатрат на образование пузырьков. Следовательно, необходимо повышенное отрицательное давление для образования пузыря, способного оторваться от поверхности и подняться вверх.

Биомиметическое техническое применение

Backswimmers (Notonecta glauca): поверхности раздела крыльев, обращенных к воде, имеют иерархическую структуру, состоящую из длинных волос (Satae) и ковра из микроворсинок.

Подводные воздухозаборники представляют большой интерес для технических приложений. Если передача эффекта на техническую поверхность будет успешной, корпус корабля может быть покрыт этой поверхностью, чтобы уменьшить трение между судном и водой, что приведет к меньшему расходу топлива, расходам на топливо и уменьшению его негативного воздействия на окружающую среду (эффект противообрастания воздушным слоем ).[15] В 2007 году первые испытательные лодки уже достигли десятипроцентного снижения трения. [9] и впоследствии этот принцип был запатентован.[16] К настоящему времени ученые предполагают снижение трения более чем на 30%.[17]

Основной принцип схематично показан на рисунке. Здесь сравниваются два профиля течения ламинарного потока воды по твердой поверхности и воды, текущей по воздухоудерживающей поверхности.

Если вода течет по гладкой твердой поверхности, скорость на поверхности равна нулю из-за трения между водой и поверхностными молекулами. Если между твердой поверхностью и водой находится слой воздуха, скорость больше нуля. Нижний вязкость воздуха (в 55 раз меньше вязкости воды) снижает передачу силы трения тем же фактором.

Схематическая иллюстрация, сравнивающая гидродинамику воды вдоль твердой поверхности и удерживающей воздух поверхности: Непосредственно на твердой поверхности скорость воды равна нулю из-за трения молекул воды и поверхности (слева). В случае удерживающей воздух поверхности (справа) воздушный слой служит средством скольжения. Из-за низкой вязкости воздуха вода может перемещаться по границе раздела воздух-вода, что означает уменьшение сопротивления и скорость выше нуля.

В настоящее время исследователи работают над разработкой биомиметик, постоянно удерживающая воздух поверхность по образцу С. Молеста [18] для уменьшения трения на кораблях. Доказано, что поверхности с эффектом сальвинии быстро и эффективно адсорбируют масло и могут использоваться для разделения масла и воды. [19]

Рекомендации

  1. ^ а б Бартлотт, В., Мэйл, М. и К. Нейнхейс, (2016) Супергидрофобные иерархически структурированные поверхности в биологии: эволюция, структурные принципы и биомиметические приложения. Фил. Пер. R. Soc. А 374.2073 DOI: 10.1098 / rsta.2016.0191
  2. ^ Бартлотт, В., Мэйл, М., Бхушан, Б., и К. Кох. (2017). Поверхности растений: структуры и функции для биомиметических инноваций. Нано-Микро-буквы, 9(23), DOI: 10.1007 / s40820-016-0125-1.
  3. ^ а б c Бартлотт, В., Вирш, С., Чолич, З., и К. Кох, (2009) Классификация типов трихом внутри видов водного папоротника Salvinia и онтогенез трихом взбивания яиц. Ботаника. 87 (9). pp 830–836, DOI: 10.1139 / B09-048.
  4. ^ а б c d е Бартлотт, В., Шиммель, Т., Вирш, С., Кох, К., Бреде, М., Барчевски, М., Вальхейм, С., Вайс, А., Кальтенмайер, А., Ледер, А., И Х. Бон, (2010). Парадокс сальвинии: супергидрофобные поверхности с гидрофильными штифтами для удержания воздуха под водой. Современные материалы. 22 (21). pp 2325–2328, DOI: 10.1002 / adma.200904411.
  5. ^ а б c Дитше-Куру, П., Шнайдер, Э.С., Мелскотте, Ж.-Э., Бреде, М., Ледер, А., и В. Бартлотт, (2011) Супергидрофобные поверхности водяного клопа Notonecta glauca: модель трения уменьшение и задержка воздуха. Журнал нанотехнологий Beilstein. 2 (1). С. 137–144, DOI: 10.3762 / bjnano.2.17.
  6. ^ а б Амабили, М., Джакомелло, А., Мелони, С., и К. М. Кашиола, (2015) Распутывание парадокса сальвинии: принципы проектирования для скрытой супергидрофобности. Интерфейсы Advanced Materials. 2 (14). DOI: 10.1002 / admi.201500248.
  7. ^ http://www.environment.gov.au/biodiversity/invasive/weeds/publications/guidelines/wons/pubs/s-molesta.pdf
  8. ^ Конрад, В., Апельтауэр, К., Фрауэндиенер, Дж., Бартлотт, В., и А. Рот-Небельсик, (2009) Применение методов дифференциальной геометрии для создания стабильных и устойчивых слоев воздуха, прикрепленных к объектам, погруженным в воду. Journal of Bionic Engineering 6 (4), стр 350–356, DOI: 10.1016 / S1672-6529 (08) 60133-X
  9. ^ а б BMBF-Projekt PTJ-BIO / 311965A: "Superhydrophobe Grenzflächen - ein mögliches Potenzial für hydrodynamische technische Innovationen", Бонн 2002–2007.
  10. ^ Солга А., Черман З., Стриффлер Б.Ф., Спет М. и У. Бартлотт. (2007) Мечта о чистоте: лотос и биомиметические поверхности. Биоинспир. Биомим. 4 (2), стр. 126–134. DOI: 10.1088 / 1748-3182 / 2/4 / S02
  11. ^ Mail, M., Böhnlein, B., Mayser, M. & W. Barthlott. (2014) Bionische Reibungsreduktion: Eine Lufthülle hilft Schiffen Treibstoff zu Sparen В: А. Б. Кесель, Д. Зерен (ред.): Bionik: Patente aus der Natur - 7. Bremer Bionik Kongress, Бремен, сс 126 - 134. ISBN  978-3-00-048202-1.
  12. ^ а б Koch, K., Bohn, H.F. & W. Barthlott. (2009) Иерархически скульптурные поверхности растений и супергидрофобность. Langmuir. 25 (24), стр. 14116–14120. DOI: 10.1021 / la9017322.
  13. ^ Ditsche, P., Gorb, E., Mayser, M., Gorb, S., Schimmel, T. & W. Barthlott. (2015) Эластичность волосяного покрова на воздухоудерживающих поверхностях Salvinia. Прикладная физика A. DOI: 10.1007 / s00339-015-9439-y.
  14. ^ Balmert, A., Bohn, H.F., Ditsche-Kuru, P. & W. Barthlott. (2011) Сушка под водой: Сравнительная морфология и функциональные аспекты воздухоудерживающих поверхностей насекомых. Журнал морфологии. 272 (4), стр. 442–451, DOI: 10.1002 / jmor.10921.
  15. ^ Кляйн, С. (2012). Effizienzsteigerung in der Frachtschifffahrt unter ökonomischen und ökologischen Aspekten am Beispiel der Reederei Hapag Lloyd. Projektarbeit Gepr. Betriebswirt (IHK), Akademie für Welthandel.
  16. ^ Патент WO2007099141A2: Несмачиваемые поверхности. Опубликовано 7 сентября 2007 г. Изобретатели: Бартлотт, В., Стриффлер, Б., Шррибл, А., Стегмайер, Т., Стриффлер, Б., фон Арним, В.
  17. ^ Мелскотте, Ж.-Э., Бреде, М., Вольтер, А., Бартлотт, В. и А. Ледер. (2013). Schleppversuche an künstlichen, Luft haltenden Oberflächen zur Reibungsreduktion am Schiff. В: К. Дж. Келер, Р. Хайн, К. Черпка, Б. Рак, А. Ледер, Д. Допхайде (ред.): Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik. München, Beitrag 53.
  18. ^ Тричинчи, О., Теренчио, Т., Маццолай, Б., Пуно, Н., Греко, Ф. и В. Матолли. (2015). Трехмерная поверхность с микрорельефом, вдохновленная сальвинией молеста с помощью прямой лазерной литографии. Прикладные материалы и интерфейсы ACS 7 (46): 25560-25567. DOI: 10.1021 / acsami.5b07722
  19. ^ Зейгер, К., да Силва, И. К. Р., Мэйл, М., Коваленка, М. Н., Бартлотт, В., и Х. Хёльшер. (2016). Микроструктуры супергидрофобных листьев растений - вдохновение для эффективных материалов для очистки разливов нефти. Биоинспирация и биомиметика, 11(5), DOI: 10.1088 / 1748-3190 / 11/5/056003

дальнейшее чтение

  • Бартлотт, Вильгельм; Шиммель, Томас; Вирш, Сабина; Кох, Керстин; Бреде, Мартин; Барчевски, Матиас; Вальхейм, Стефан; Вейс, Аарон; Кальтенмайер, Анке; Ледер, Альфред; Бон, Хольгер Ф. (2010), "Парадокс сальвинии: супергидрофобные поверхности с гидрофильными штырями для удержания воздуха под водой", Современные материалы (на немецком), 22 (21), стр. 2325–2328, Дои:10.1002 / adma.200904411, PMID  20432410
  • П. Дитше-Куру, М. Дж. Майзер, Э. С. Шнайдер, Х. Ф. Бон, К. Кох, Ж.-Э. Мельскотте, М. Бреде, А. Ледер. M. Barczewski, A. Weis, A. Kaltenmaier, S. Walheim, Th. Шиммель, В. Бартлотт: Eine Lufthülle für Schiffe - Können Schwimmfarn und Rückenschwimmer helfen Sprit zu Sparen? В: А. Б. Кесель, Д. Зерен (ред.): Бионик: Patente aus der Natur −5. Bremer Bionik Kongress. А. Б. Кесель и Д. Зерен. Bremen 2011, Seiten 159–165.
  • "Эффект Сальвинии", Биомиметика: биоинспирированные иерархически-структурированные поверхности для зеленой науки и технологий (на немецком языке), Берлин / Нью-Йорк: Springer, стр. 179–186, 2012 г., ISBN  978-3-642-25407-9
  • Конрад, Вильфрид; Апельтауэр, Кристиан; Frauendiener, Jörg; Бартлотт, Вильгельм; Рот-Небельзик, Анита (2009), «Применение методов дифференциальной геометрии для создания стабильных и устойчивых слоев воздуха, прикрепленных к объектам, погруженным в воду», Журнал бионической инженерии (на немецком), 4 (6), с. 350–356, Дои:10.1016 / S1672-6529 (08) 60133-X
  • С. Кляйн: Effizienzsteigerung in der Frachtschifffahrt unter ökonomischen und ökologischen Aspekten am Beispiel der Reederei Hapag Lloyd, Projektarbeit Gepr. Betriebswirt (IHK), Akademie für Welthandel, 2012.
  • В. Баумгартен, Б. Бёнлейн, А. Вольтер, М. Бреде, В. Бартлотт, А. Ледер: Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Stabilität von Luft-Wasser Grenzflächen an biomimetischen, Luft haltenden Beschichtungen. В: B. Ruck, C. Gromke, K. Klausmann, A. Leder, D. Dopheide (Hrsg.): Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik. 22. Fachtagung, 9. – 11. Сентябрь 2014 г., Карлсруэ; (Tagungsband). Karlsruhe, Dt. Ges. für Laser-Anemometrie GALA e.V., ISBN  978-3-9816764-0-2, С. 36.1–36.5 (В сети ).
  • М. Раухе: Salvinia-Effekt Gute Luft unter Wasser. В: СМОТРЕТЬ. № 4. 2010. С. 26–28.

внешняя ссылка