Strona główna

Naturalne rozwiązanie

Numer 10/2020
Wingsuit zapewnia ekstremalne doznania lotu szybowego. Wingsuit zapewnia ekstremalne doznania lotu szybowego. Shutterstock
Inspiracje płyną czasem prosto z natury.
Miarą hydrofobowości powierzchni jest kąt zwilżania (θ). Gdy kropla przylega do powierzchni hydrofilowej, jego wartość będzie niska, gdy hydrofobowej – wysoka.Shutterstock Miarą hydrofobowości powierzchni jest kąt zwilżania (θ). Gdy kropla przylega do powierzchni hydrofilowej, jego wartość będzie niska, gdy hydrofobowej – wysoka.
HygroSkin to rozwiązanie z myślą o inteligentnych budynkach – wietrzniki ­otwierają się w zależności od stopnia wilgotności powietrza.ICD Universitat Stuttgart HygroSkin to rozwiązanie z myślą o inteligentnych budynkach – wietrzniki ­otwierają się w zależności od stopnia wilgotności powietrza.
Kontrastowe pasy (dazzle camouflage) stosowano do II wojny światowej.Wikipedia Kontrastowe pasy (dazzle camouflage) stosowano do II wojny światowej.

Doświadczenie 1

Przyjrzyj się zakupionej w sklepie akwarystycznym lub w centrum ogrodniczym pistii rozetkowej. Czy powierzchnia liści jest gładka, czy chropowata? Jak zachowują się krople wody, jeśli spryskać nimi liście? Jak wygląda roślina po zanurzeniu jej w wodzie?

Wyjaśnienie: Wolno pływające rozety pistii są narażone na zalewanie wodą. Dlatego liście wykształciły powierzchnię superhydrofobową, czyli odpychającą wodę. Hydrofobowość materiałów opisuje się, mierząc kąt zwilżania, zawarty między płaszczyzną podłoża a płaszczyzną styczną do powierzchni kropli osadzonej na tym podłożu. Gdy kropla ściśle przylega do podłoża – kąt ten jest mały, a powierzchnię uznaje się za hydrofilową („lubiącą wodę”). Kąt zwilżania powyżej 90° wskazuje, że mamy do czynienia z powierzchnią hydrofobową, a 120–150° – superhydrofobową. Superhydrofobowość wynika z obecności mikroskopijnych nierówności (pomiędzy którymi uwięzione zostaje powietrze – dlatego zanurzony liść wydaje się srebrny), sprawiających, że kropla wody nie może dobrze przylgnąć do danej powierzchni, dotykając jedynie szczytowych fragmentów nierówności. Kropla cieczy, zamiast rozlać się na powierzchni, jest niczym jabłko nabite na widelec. W efekcie łatwo spływa z liści (zmywając przy okazji zanieczyszczenia), zapobiegając gniciu i utrudniając zatopienie rozety. Powierzchnia ta ulega uszkodzeniu w przypadku starszych lub chorych liści. (Super)hydrofobowe są też liście lilii wodnych, salwinii pływającej czy pałki wodnej, ale także skrzydła wielu motyli – funkcję superhydrofobowej bariery pełnią liczne pokrywające je drobne łuski.

Doświadczenie 2

Przygotuj dwie kartki papieru. Jedną z nich zgodnie z instrukcją dokładnie pokryj impregnatem do butów w sprayu, tworzącym na powierzchni powłokę superhydrofobową, i pozostaw do wyschnięcia (A). Drugą pozostaw bez zmian (B). Rozmieszaj miód pół na pół z wodą. Uzyskasz lepki płyn. Ustaw kartki pod kątem ok. 45° i skrop je płynem. Obserwuj zachowanie kropli. Następnie skrop obie kartki oliwą.

Wyjaśnienie: Miód to stężony roztwór cukru w wodzie. Z łatwością przykleja się do różnych powierzchni, np. do kartki papieru (B). Jednak nie przywiera do powłoki superhydrofobowej i spływa po zaimpregnowanej kartce papieru (A), a nawet daje się na niej podrzucać. Powłoka taka chroni zatem przed przemakaniem i ułatwia spłukiwanie niektórych zanieczyszczeń (np. błota czy keczupu) – jest samoczyszcząca. Ale zanieczyszczenia o charakterze hydrofobowym (np. oliwa, majonez) przywierają do takiej powłoki mocniej i trudniej je zmyć. Syntetyczne powłoki superhydrofobowe to najczęściej mieszanina drobnych igiełek lub łuseczek np. dwutlenku tytanu, które na powierzchni tworzą nierówną warstwę utrudniającą przyklejanie się wody.

Doświadczenie 3

Przetnij kartkę bloku rysunkowego na pół. W jednym kawałku zrób nożem do kartonu kilka nacięć w kształcie litery U (ok. 3 cm długości) i odegnij płatki, uzyskując otwory (A). Drugą kartkę dokładnie obklej z jednej strony przezroczystą taśmą klejącą (tworząc na powierzchni jednorodną warstwę), zrób podobne nacięcia, ale nie odchylaj klapek (B). Na dwa talerzyki nalej niewielką ilość wody i połóż w nich kartki tak, by powoli nasiąkały wodą (klapkami lub oklejoną stroną do góry). Brzegi kartek warto dociążyć lub przymocować do talerza spinaczami, aby kartki się nie wyginały.

Wyjaśnienie: U wielu roślin obserwuje się ruchy higroskopijne, wywoływane nierównomiernym nasiąkaniem warstw celulozy wodą. Łatwo nasiąkające tkanki pęcznieją, zwiększając objętość. Pęcznienie powoduje rozprostowywanie się zagiętych elementów kartonu A – klapki otworów z wolna się zamykają (przy prasowaniu parowym też pojawia się ten efekt). Nasiąkanie wodą powoduje także ruch (niezabezpieczona strona kartonu B) względem nienasiąkających wodą elementów (w doświadczeniu będzie to powłoka z taśmy klejącej). W efekcie pory kartonu B powoli się otwierają, a przy braku spinaczy cały karton zacznie się zwijać (stroną B do wewnątrz). Mechanizm ten można wykorzystać np. do produkcji inteligentnych tkanin, które ułatwiają odparowywanie potu, lub reagujących na pogodę rozwiązań architektonicznych, takich jak HygroSkin, ściana z wietrznikami otwierającymi się bez potrzeby użycia dodatkowego źródła energii.

Doświadczenie 4

Przetestuj dazzle camouflage – w programie MS Paint narysuj zestaw czarno-białych pasków, wydrukuj je i owiń kartką piłkę tenisową. Przerzucając się z partnerem zwykłą piłką tenisową, piłką owiniętą białym papierem oraz oklejonym wariantem, oceńcie skuteczność kamuflażu.

Wyjaśnienie: Uważa się, że dazzle camouflage może działać na kilka sposobów. Utrudnia rozpoznanie kształtu obiektu, szczególnie gdy ten jest w ruchu. Męczy wzrok i oszałamia obserwatora, utrudniając przewidzenie, w jakim kierunku porusza się obiekt. Z większej odległości pasy zlewają się, tworząc szarawy obiekt o niewyraźnych konturach.

dr Paweł Jedynak

Popularyzator nauki i pracownik Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ w Krakowie. Bada nowe możliwości wykorzystania mikroorganizmów w biotechnologii i molekularne mechanizmy rozwoju roślin.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

papier ksero, impregnat superhydrofobowy do butów 100 ml, piłki tenisowe, pistia rozetkowa, miód, oliwa, taśma klejąca, blok rysunkowy

Niewliczone w cenę: komputer, drukarka, talerzyki, nożyczki, spinacze

Czas przygotowania: 3 godz.

Koszt: 90 zł

***

Wiedza w pigułce

Naśladowanie rozwiązań występujących w przyrodzie nazywa się biomimetyką, a jej najbardziej znanym przykładem jest opatentowany w 1958 r. wynalazek George’a de Mestrala – velcro, rzep stosowany np. w ubraniach. De Mestral wpadł na ten pomysł, wyczesując z sierści swego psa czepliwe owoce łopianu. Jednak znacznie wcześniej, bo w 1914 r., brytyjski zoolog John Graham Kerr przyczynił się do zrewolucjonizowania Brytyjskiej Marynarki Wojennej dzięki obserwacjom zebr. Kamuflaż deformujący, oparty na załamujących się wzorach w biało-czarne pasy (tzw. dazzle camouflage), miał utrudniać rozpoznanie statków i przewidywanie ich ruchu. I choć jego skuteczność pozostaje dyskusyjna, był popularny do II wojny światowej, a i obecnie prototypy samochodów znanych marek są czasem maskowane podczas jazd testowych w taki sposób.

Nawet zwykłe siniaki mogą być inspiracją – lakier z mikrokapsułkami farby uwalnianej przy uderzeniu służy przemysłowi lotniczemu do identyfikacji uszkodzeń trudnych do zobaczenia gołym okiem. Bezszelestny lot sowy płomykówki pozwolił opracować cichsze turbiny chłodzące komputery. Latającym wiewiórkom zawdzięczamy natomiast kombinezony do lotu szybowego (wingsuit), a rekinom – powłoki statków stawiające mniejszy opór w wodzie i utrudniające rozrastanie się na nich pąkli i glonów. Z kolei ćmy zwiększyły komfort właścicieli okularów – zrozumienie budowy ich oczu przyczyniło się do wyprodukowania powłok antyrefleksyjnych.

Motyle są skarbnicą bioinżynieryjnych tajemnic – ich olśniewające barwy to często efekt interferencji i dyfrakcji światła na drobnych łuseczkach pokrywających skrzydła. Zrozumienie tego mechanizmu, obserwowanego u rodzaju Morpho, gatunku Papilio palinurus czy naszego mieniaka tęczowca, pozwoliło stworzyć farby strukturalne, których kolory nigdy nie blakną, oraz lakiery (np. ChromaFlair) o barwie zmieniającej się w zależności od kąta patrzenia obserwatora. Skrzydła motyli są też nieprzemakalne – podobnie jak liście wielu roślin wodnych. Obserwowany w ich przypadku efekt lotosu utrudnia kroplom wody zwilżanie powierzchni. Po mistrzowsku wykorzystują go chrząszcze Stenocara gracilipes z pustyni Namib – naprzemienne obszary hydrofobowe i hydrofilowe na ich pancerzach inicjują kondensację pary wodnej, zapewniając tym niezwykłym owadom przetrwanie w suchym środowisku.

01.10.2020 Numer 10/2020

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną