Lazeriai vietoje chemijos: sukurta tampri medžiaga, atstumianti net agresyvias rūgštis

Vietoje įprastų cheminių purškiamųjų dangų komanda naudojo lazerinę abliaciją, kad suformuotų skysčius atstumiančius paviršius, taip atsisakydama agresyvių tirpiklių naudojimo.

Medžiaga išsaugo superomnifobines (beveik visus skysčius atstumiančias) savybes, kai yra ištempiama iki penkis kartus nuo pradinio ilgio ir po daugiau nei 5000 tempimo–atleidimo ciklų. Tai reiškia, kad ji gali būti pakartotinai tempiama, lenkiama ir sukiojama neprarasdama gebėjimo atstumti skysčius.

„Superomnifobinės medžiagos gali atstumti praktiškai bet kokį skystį – pavyzdžiui, ypač agresyvias rūgštis, šarmus ar tirpiklius – taip pat gerai, kaip ir vandenį“, – aiškina Šiaurės Karolinos valstybiniame universitete dirbantis mechanikos ir aerokosminės inžinerijos docentas Arunas Kumaras Kota. „Jos naudingos labai įvairiose srityse, pavyzdžiui, minkštųjų robotų kūrime, kur reikalingos medžiagos, galinčios atlaikyti atšiaurią aplinką, temptis ir keisti formą.“

Tradiciškai superomnifobiniai paviršiai kuriami ant pagrindo purškiant tirpiklį su nanodalelėmis. Tokia danga suformuoja šiurkštų paviršių, neleidžiantį skysčiams prilipti. Tačiau šios dangos dažnai pradeda sluoksniuotis ir atskilti, kai deformacija viršija 100 % santykinį pailgėjimą, todėl jų taikymas lanksčiose sistemose yra ribotas.

Delaminacijos barjero įveikimas

Ankstesniuose darbuose A. K. Kotos grupė bandė spręsti šią problemą įterpdama mikroiškilumus – mažyčius stulpelius, kurių skersmuo siekia 10–100 mikrometrų – ir tik tuomet dengdama paviršių purškiamąja danga.

Esant deformacijai, danga tarp stulpelių atsiskirdavo, tačiau stulpelių viršūnės išlikdavo apsaugotos.

„Kaip grubią analogiją, įsivaizduokite, kad mano ištiestos rankos yra medžiaga, o mano plaukai – mikroiškilumai“, – aiškina Kota. „Jei kas nors patraukia mano rankas, mano plaukai nejunta įtampos ir lieka nepakitę. Nustatėme, kad purkštomis dangomis padengtos medžiagos su mikroiškilumais išlaiko superomnifobines savybes, kai ilgis padidėja iki penkių kartų nuo pradinio.“

Naujausiame tyrime komanda visiškai atsisakė purškiamosios dangos.

„Šiame darbe, vietoj purškimo, lazerine abliacija sukuriame ir mikroiškilumus, ir šiurkštų paviršių, kuris suteikia superomnifobiškumą“, – tęsia Kota. „Vis dėlto pirmiausia turėjome nustatyti optimalius lazerio parametrus: galią, judėjimo greitį ir erdvinį dažnį – tai yra, kiek kartų lazeris impulsuoja ilgio vienete.“

Mašininis mokymasis valdo lazerius

Kadangi taikant lazerinę abliaciją galima parinkti milijonus skirtingų parametrų derinių, tyrėjai pasitelkė mašininio mokymosi metodus. Į modelį jie suvedė lazerio galią, greitį, erdvinį dažnį ir pageidaujamą skysčio slydimo kampą, o modelis prognozavo optimalias nustatymų kombinacijas, taip išvengiant ilgo bandymų ir klaidų proceso.

Optimizuotas procesas buvo išbandytas su siloksano elastomeru, modifikuotu fluorangliavandenilio silanu siekiant padidinti hidrofobiškumą.

Gautas paviršius išlaikė superomnifobines savybes esant iki 400 % deformacijai ir per daugiau nei 5000 tempimo ciklų. Komanda taip pat išnagrinėjo, kaip tempimas veikia kontaktinius kampus, prasiveržimo slėgius ir slydimo kampus.

„Sukūrėme platformą, leidžiančią kurti tampres medžiagas su superomnifobinėmis savybėmis nenaudojant cheminių tirpiklių ir išvengiant šimtų tūkstančių bandymo ir klaidos eksperimentų“, – sako Kota. „Šis metodas yra ekologiškesnis ir ekonomiškesnis būdas gaminti medžiagas labai įvairioms sritims – nuo tekstilinių tvarsčių iki tamprių elektronikos komponentų, galinčių veikti chemiškai agresyvioje aplinkoje.“

Tyrėjai teigia, kad ši technologija gali prisidėti prie dirbtinės odos, minkštųjų robotų, dėvimųjų elektroninių įrenginių bei apsauginių tekstilės dangų, skirtų darbui atšiauriomis sąlygomis, kūrimo.