Инженеры из Политехнического университета Вирджинии создали металлическую поверхность, способную заставлять лед перемещаться по ней без какого-либо внешнего воздействия, такого как ветер или гравитация. Пятилетняя работа, включавшая три года экспериментов и два года доработки, завершилась публикацией результатов 14 августа в журнале ACS Applied Materials & Interfaces. Проект возглавлял Джонатан Борейко из Лаборатории гидродинамики и межфазных взаимодействий, вдохновленных природой, при участии соавтора Джека Тапоцика.
Источником вдохновения для исследования послужили «плывущие камни» с высохшего озера Рейстрек-Плайя в Долине Смерти. Этот феномен, известный с начала 1900-х годов, десятилетиями озадачивал ученых. Камни, казалось, самостоятельно скользили по пустынной поверхности, оставляя за собой длинные следы.
Тайна была раскрыта в 2014 году палеоокеанографом из Гарварда Ричардом Норрисом. Он установил, что для движения камней необходимо совпадение нескольких условий. Сначала на затвердевшей поверхности озера выпадает небольшое количество осадков. Затем, при падении температуры ниже нуля, вода замерзает, образуя тонкий слой льда. С восходом солнца лед начинает таять и раскалываться на крупные плавучие пластины, или «ледяные плоты». Легкий бриз толкает эти плоты, которые, в свою очередь, увлекают за собой камни.
Команда из Вирджинии, начавшая свою работу в 2019 году, поставила цель воспроизвести этот эффект в лабораторных условиях, но полностью исключив роль ветра. Для этого они разработали алюминиевую пластину с выгравированным асимметричным рисунком.
Первая конструкция представляет собой алюминиевую поверхность со специальным узором в виде «елочки», состоящим из асимметричных канавок, напоминающих наконечники стрел. Когда помещенный на поверхность ледяной диск начинает таять, талая вода направляется по этим каналам в одну сторону. Этот направленный поток воды подхватывает и несет за собой ледяной диск.
Джек Тапоцик объясняет этот механизм с помощью аналогии: «Хорошая аналогия — это сплав по реке на надувных кругах, за исключением того, что здесь направленные каналы создают поток вместо гравитации».
Во втором эксперименте исследователи покрыли ту же алюминиевую пластину водоотталкивающим спреем, что привело к совершенно иному механизму движения. На такой поверхности ледяной диск сначала прилипает, в то время как талая вода вытесняется по каналам вперед.
Вода скапливается перед ледяным диском, образуя лужицу. Это создает дисбаланс поверхностного натяжения между передней и задней частью диска. В определенный момент это несоответствие сил резко срывает лед с места, заставляя его «выстреливать» и скользить по поверхности.
Одно из очевидных практических применений этой технологии — создание усовершенствованных систем разморозки. Способность поверхности самостоятельно сбрасывать тающий лед может быть использована для различных материалов и устройств, требующих защиты от обледенения.
Более амбициозное применение предложил Джонатан Борейко: генерация экологически чистой энергии. Его концепция предполагает создание круглой поверхности с алюминиевым узором «елочка».
На ледяные диски, размещенные на этой поверхности, можно поместить магниты. По мере таяния льда и его движения по кругу магниты также начнут вращаться. Это вращательное движение способно генерировать электрическую энергию.
На данный момент концепция генерации энергии является гипотетической. Для определения ее эффективности и возможности масштабирования требуются дальнейшие исследования.
Изображение носит иллюстративный характер
Источником вдохновения для исследования послужили «плывущие камни» с высохшего озера Рейстрек-Плайя в Долине Смерти. Этот феномен, известный с начала 1900-х годов, десятилетиями озадачивал ученых. Камни, казалось, самостоятельно скользили по пустынной поверхности, оставляя за собой длинные следы.
Тайна была раскрыта в 2014 году палеоокеанографом из Гарварда Ричардом Норрисом. Он установил, что для движения камней необходимо совпадение нескольких условий. Сначала на затвердевшей поверхности озера выпадает небольшое количество осадков. Затем, при падении температуры ниже нуля, вода замерзает, образуя тонкий слой льда. С восходом солнца лед начинает таять и раскалываться на крупные плавучие пластины, или «ледяные плоты». Легкий бриз толкает эти плоты, которые, в свою очередь, увлекают за собой камни.
Команда из Вирджинии, начавшая свою работу в 2019 году, поставила цель воспроизвести этот эффект в лабораторных условиях, но полностью исключив роль ветра. Для этого они разработали алюминиевую пластину с выгравированным асимметричным рисунком.
Первая конструкция представляет собой алюминиевую поверхность со специальным узором в виде «елочки», состоящим из асимметричных канавок, напоминающих наконечники стрел. Когда помещенный на поверхность ледяной диск начинает таять, талая вода направляется по этим каналам в одну сторону. Этот направленный поток воды подхватывает и несет за собой ледяной диск.
Джек Тапоцик объясняет этот механизм с помощью аналогии: «Хорошая аналогия — это сплав по реке на надувных кругах, за исключением того, что здесь направленные каналы создают поток вместо гравитации».
Во втором эксперименте исследователи покрыли ту же алюминиевую пластину водоотталкивающим спреем, что привело к совершенно иному механизму движения. На такой поверхности ледяной диск сначала прилипает, в то время как талая вода вытесняется по каналам вперед.
Вода скапливается перед ледяным диском, образуя лужицу. Это создает дисбаланс поверхностного натяжения между передней и задней частью диска. В определенный момент это несоответствие сил резко срывает лед с места, заставляя его «выстреливать» и скользить по поверхности.
Одно из очевидных практических применений этой технологии — создание усовершенствованных систем разморозки. Способность поверхности самостоятельно сбрасывать тающий лед может быть использована для различных материалов и устройств, требующих защиты от обледенения.
Более амбициозное применение предложил Джонатан Борейко: генерация экологически чистой энергии. Его концепция предполагает создание круглой поверхности с алюминиевым узором «елочка».
На ледяные диски, размещенные на этой поверхности, можно поместить магниты. По мере таяния льда и его движения по кругу магниты также начнут вращаться. Это вращательное движение способно генерировать электрическую энергию.
На данный момент концепция генерации энергии является гипотетической. Для определения ее эффективности и возможности масштабирования требуются дальнейшие исследования.
