Исследовательская группа Массачусетского технологического института, которая уже справилась с проблемой извлечения кетчупа из бутылки, теперь занялась новой категорией проблем потребителей и производителей: как заставить более толстые материалы скользить, не прилипая и не деформируясь.

Разработанные командой скользкие покрытия, называемые поверхностями, пропитанными жидкостью, могут иметь множество преимуществ, в том числе устранять производственные отходы, образующиеся в результате прилипания материала к внутренней части технологического оборудования. Они также могут улучшить качество продуктов, начиная от хлеба и заканчивая фармацевтическими препаратами, и даже повысить эффективность проточных батарей - быстро развивающейся технологии, которая может способствовать развитию возобновляемых источников энергии, обеспечивая недорогое хранение вырабатываемой электроэнергии.

Эти поверхности основаны на принципах, изначально разработанных для того, чтобы помочь продуктам питания, косметике и другим вязким жидкостям выскользнуть из контейнеров, разработанных Крипой Варанаси, профессором машиностроения Массачусетского технологического института, вместе с бывшими студентами Леонидом Рапопортом, доктором философии 18 лет, и Брайаном Соломоном, доктором философии 16 лет. Новая работа описана в журнале ACS Applied Materials and Interfaces.

Как и более ранние поверхности, которые они разработали, что привело к созданию дочерней компании LiquiGlide, новые поверхности основаны на сочетании специально текстурированной поверхности и жидкой смазки, которая покрывает поверхность и остается на месте благодаря капиллярному действию и другим межмолекулярным силам, связанным с такими интерфейсами. В новой статье объясняются фундаментальные принципы проектирования, которые позволяют добиться почти 100-процентного снижения трения для этих гелеобразных жидкостей.

Такие материалы, известные как текучие жидкости, в том числе гели и пасты, распространены повсеместно. Их можно найти в потребительских товарах, таких как продукты питания, приправы и косметика, а также в продуктах энергетической и фармацевтической промышленности. В отличие от других жидкостей, таких как вода и масла, эти материалы не начнут течь сами по себе, даже если их контейнер перевернут вверх дном. Для запуска потока требуется подача энергии, например, сжатие контейнера.

Но это сжатие имеет свои собственные последствия. Например, оборудование для выпекания хлеба обычно включает скребки, которые постоянно отталкивают липкое тесто от стенок контейнера, но такое постоянное соскабливание может привести к чрезмерному замешиванию и получению более плотной буханки. Таким образом, по словам Варанаси, скользкий контейнер, который не требует выскабливания, может обеспечить более вкусный хлеб. Используя эту систему, "помимо извлечения всего из контейнера, вы повышаете качество" получаемого продукта.

По его словам, это может быть не критично, когда речь идет о хлебе, но может оказать большое влияние на фармацевтику. Использование механических скребков для перемещения лекарственных материалов через смесительные емкости и трубки может повлиять на эффективность лекарства, поскольку задействованные силы сдвига могут повредить белки и другие активные соединения в лекарстве.

Используя новые покрытия, в некоторых случаях можно добиться 100-процентного снижения сопротивления материала, что эквивалентно "бесконечному скольжению", - говорит Варанаси.

"Вообще говоря, поверхности способствуют", - говорит Рапопорт. "Супергидрофобные поверхности, например, позволяют воде легко скатываться, но не все жидкости могут скатываться. Наши поверхности позволяют жидкостям перемещаться любым более предпочтительным для них способом - катиться или скользить. Кроме того, мы обнаружили, что жидкости с пределом текучести могут перемещаться по нашим поверхностям без сдвига, по сути, скользя, как твердые тела. Это очень важно, если вы хотите сохранить целостность этих материалов во время их обработки ".

Как и более ранняя версия slippery surfaces, созданная Варанаси и его сотрудниками, новый процесс начинается с создания поверхности, текстурированной на наноуровне, либо путем травления ряда близко расположенных столбов или стенок на поверхности, либо механического шлифования канавок или углублений. Полученная текстура спроектирована так, чтобы иметь такие крошечные особенности, что капиллярное действие - тот же процесс, который позволяет деревьям вытягивать воду до самых верхних ветвей через крошечные отверстия под корой - может удерживать жидкость, такую как смазочное масло, на месте на поверхности. В результате любой материал внутри контейнера с такой облицовкой, по сути, соприкасается только со смазочной жидкостью и соскальзывает, а не прилипает к твердой стенке контейнера.

Новая работа, описанная в этой статье, подробно описывает принципы, разработанные исследователями для обеспечения оптимального выбора текстурирования поверхности, смазочного материала и производственного процесса для любого конкретного применения с его особым сочетанием материалов.

Еще одно важное применение новых покрытий - в быстро развивающейся технологии, называемой проточными батареями. В этих батареях твердые электроды заменены суспензией из мельчайших частиц, взвешенных в жидкости, преимущество которой заключается в том, что емкость батареи можно увеличить в любое время, просто добавив емкости большего размера. Но эффективность таких батарей может быть ограничена расходом.

Использование новых скользких покрытий может значительно повысить общую эффективность таких батарей, и Варанаси работал с профессорами Массачусетского технологического института Гаретом Маккинли и Йет-Мингом Чиангом над разработкой такой системы под руководством Соломона и Синвэй Чен, бывшего постдока в лаборатории Чианга.

Эти покрытия могли бы решить головоломку, с которой столкнулись разработчики проточных батарей, потому что им нужно было добавлять углерод в суспензию, чтобы улучшить ее электропроводность, но углерод также делал суспензию намного гуще и мешал ее движению, что привело к "проточной батарее, которая не могла течь", - говорит Варанаси.

"Раньше у проточных батарей был компромисс в том, что при добавлении большего количества частиц углерода суспензия становится более проводящей, но она также становится гуще и намного сложнее течь", - говорит Соломон. "Использование скользких поверхностей позволяет нам получить лучшее из обоих миров, позволяя получать густые суспензии с пределом текучести".

Усовершенствованная система позволила использовать состав с проточным электродом, что привело к четырехкратному увеличению производительности и 86-процентной экономии механической энергии по сравнению с использованием традиционных поверхностей. Эти результаты были недавно описаны в журнале ACS Applied Energy Materials.

"Помимо изготовления устройства с проточной батареей, которое включает в себя скользкие поверхности, мы также разработали критерии их электрохимической, химической и термодинамической стабильности", - объясняет Соломон. "Проектирование поверхностей для проточной батареи открывает совершенно новую область применения, которая может помочь удовлетворить будущие потребности в хранении энергии".