Известно, что некоторые растения и животные могут буквально выходить сухими из воды. Благодаря гидрофобной поверхности лапок насекомые водомерки могут разгуливать по водной поверхности, а лотос с его особо структурой поверхности листа не намокает.

Исследователи из Северо-Западного университета провели исследования и выяснили, какой шероховатости должна быть поверхность, для того чтобы она могла оставаться сухой в течение нескольких месяцев, даже находясь под водой.

Секрет водомерок, некоторых пауков и лотосов заключается в наличии крошечных волосков, которые препятствуют вступлению в контакт воды непосредственно с поверхностью лапки или листа. Эти волоски обладают острой верхушкой, и при погружении пузырьки воздуха застревают между «пиками». Воздух и растворённые в воде газы оказываются таким образом в ловушке, которая выступает в роли естественного барьера между поверхностью и водой.

Исследователи изучили различные материалы, которые могли бы обладать достаточной шероховатостью для того, чтобы отталкивать воду с высокой эффективностью. Результаты показали, что некоторые поверхности оставались сухими даже после погружения в воду на четыре месяца. Столько длился эксперимент, то есть гипотетически они могли бы продержаться и дольше.

Научный опыт также опроверг общепринятую теорию о том, что водомерки остаются сухими только за счёт сил поверхностного натяжения. В соответствии со старой теорией, если волокна материала находятся на расстоянии более микрометра, образующийся пузырь должен со временем ослабнуть, а барьер — прорваться. Во-первых, водяной пар в пузыре-ловушке будет конденсироваться и заставлять пузырь сжиматься. Во-вторых, если бы насекомые плавали на глубине, то давление сжало бы воздух и пузырь, опять же, лопнул.

Рис. 1. Сравнение кремниевых наноструктур с разными «волосками» и расстояниями между ними.

Эксперименты показали, что

водоплавающие насекомые и пауки имеют расстояние между волосками меньше микрометра. Это позволяет им эффективно пользоваться ловушками и оставаться сухими, передвигаясь по поверхности воды.

Однако вместо того, чтобы просто захватывать воздух в пузырь-ловушку, структура лапок обеспечивает самостоятельное поддержание объёма этого пузыря. Воздух в ловушке пополняется испаряющейся водой. Этот процесс компенсирует конденсацию и обеспечивает пузырь дополнительным паром, не позволяющим ему лопнуть под давлением.

«Хитрость заключается в том, чтобы использовать грубые поверхности с нужным химическим строением и правильными пропорциями. Созданные нами наноструктуры на основе кремния имеют расстояние между волосками менее микрометра. Это обеспечивает самоподдержку пузыря-ловушки и позволяет объекту находиться под водой в течение нескольких месяцев, оставаясь сухим», — рассказывает ведущий автор исследования Нилешь Патанкар (Neelesh Patankar) в пресс-релизе университета.

Рис. 2. На основе кремния ученые создали ряд структур, которые проверили на способность отталкивать воду.

Данная разработка имеет массу потенциальных применений. Поскольку наноструктуры устойчивы к давлению, их можно использовать для защиты стелс-покрытий подводных лодок и поверхностей, которые препятствуют обрастанию судов ниже ватерлинии различными организмами. Последнее ведёт к снижению скорости кораблей. Статья с результатами исследования группы Патанкара была опубликована в журнале Scientific Reports.