Natura, in questo caso piante carnivore, si rivela ancora una volta l'ispirazione della scienza. Gli scienziati hanno studiato le piante carnivore, sperando di replicare le loro superfici scivolose. iStockphoto/Thinkstock "Assumiamo una superficie completamente priva di attrito." Quante volte abbiamo visto quell'affermazione nella nostra lezione di fisica al liceo? E quante volte ci siamo chiesti perché i nostri insegnanti fossero così ansiosi di farci vivere in un mondo fantastico? Ora, grazie a un gruppo di scienziati noto come tribologi , la prospettiva di eliminare l'attrito tra due superfici interagenti sta rapidamente diventando una realtà.
Viene fatto in modi interessanti, pure. Per esempio, un team di ricercatori dell'Università di Harvard ha studiato le foglie della pianta carnivora carnivora, che presentano creste microscopiche che intrappolano uno strato di nettare liquido tra di loro. La superficie è così scivolosa che gli insetti che atterrano sulle foglie scivolano via e cadono in profondità, sacchetti a forma di brocca, dove gli enzimi li divorano. Tornato in laboratorio, i ricercatori hanno duplicato il pendio scivoloso della pianta carnivora creando una rete casuale di nanopali idrorepellenti e nanofibre rivestite di teflon e poi immergendoli in un liquido ricco di fluoro. Il liquido ha formato uno strato tra le nanostrutture, impedendo all'acqua e ad altri materiali di scorrere tra di loro e creando una superficie quasi antiaderente.
Cosa possono fare per te le superfici senza attrito? Bene, abbiamo tutti capovolto qualche uovo su padelle antiaderenti, ma questa è solo la punta di un iceberg super scivoloso.
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Biofilm di sabbia! Immagine per gentile concessione del Lewis Lab della Northeastern University. Immagine creata da Anthony D'Onofrio, William H. Fowle, Eric J. Stewart e Kim Lewis. Biofilm - arazzi di microbi come batteri o funghi che crescono attaccati a un substrato solido - causano molti problemi per gli operatori sanitari. Secondo l'Istituto Superiore di Sanità, la formazione di biofilm rappresenta il 65% di tutte le infezioni microbiche umane [fonte:Ames]. Potresti pensare che una pulizia meticolosa sia la risposta al problema, ma i biofilm resistono ostinatamente allo sfregamento. Tendono anche a scrollarsi di dosso gli effetti degli antibiotici. La soluzione migliore consiste innanzitutto nell'impedire ai batteri di attaccarsi a un substrato. Ciao, superficie senza attrito!
Un biofilm inizia la sua vita quando alcuni microrganismi spensierati attraversano un piano di lavoro o uno strumento chirurgico e si attaccano, o per mezzo di molecole di adesione collose o strutture note come pili . Una volta attaccato, questo piccolo gruppo di cellule secerne an sostanza polimerica extracellulare , o EPS , che agisce come cemento per mantenere le cellule - e la loro progenie - permanentemente in posizione. Ma se puoi interrompere il processo di attaccamento, puoi fermare la formazione del biofilm.
Questo è esattamente ciò che ha fatto un team di scienziati dell'Università di Nottingham nel Regno Unito. Rivestendo superfici di laboratorio e dispositivi medici come cateteri con un polimero acrilato simile a quelli utilizzati nell'industria delle materie plastiche, i ricercatori sono stati in grado di impedire ai pionieri dei batteri di prendere piede. Il risultato:hanno riscontrato una riduzione del 97% nella copertura del Staphylococcus aureus batterio [fonte:Ames].
Il tuo mondo di condimenti sta per essere scosso, compagno. Stock IT gratuito/Thinkstock Negli anni '70, Heinz ha costruito un'intera campagna pubblicitaria attorno al suo super-spessore, ketchup amico dell'attrito. La campagna ha preso in prestito il successo di Carly Simon "Anticipation" e ha esaltato le virtù di un "gusto che vale la pena aspettare".
Apparentemente, l'industria della ristorazione non pensa che valga la pena aspettare lo spreco. Ketchup, mostarda, la maionese e la salsa barbecue che non possono essere persuase dalle bottiglie significano una perdita di entrate per i proprietari di ristoranti e le famiglie che cercano di allungare i loro budget per la spesa. Circa 1 milione di sterline (453, 592 chilogrammi) di salse e condimenti appiccicati vengono gettati ogni anno in tutto il mondo, secondo il Varanasi Research Group, un team di ingegneri meccanici e nanotecnologi presso il Massachusetts Institute of Technology. Poi c'è il problema del tappo grande necessario per estrarre i condimenti dalle bottiglie da spremere. Eliminare la necessità di un tappo così grande ridurrebbe la quantità di plastica contenuta in una singola bottiglia, che potrebbe mantenere 25, 000 tonnellate di prodotti a base di petrolio fuori dal flusso dei rifiuti ogni anno [fonte:LiquiGlide].
Lo stesso team del MIT, matto per i condimenti, ha una soluzione:rivestire l'interno delle bottiglie con un materiale unico che prevenga il ketchup, maionese o qualsiasi altro tipo di salsa si attacchi alla superficie. La maggior parte dei rivestimenti simili contiene nanolubrificanti che potresti non voler ingerire, ma i ragazzi di Cambridge hanno sviluppato un materiale sicuro per gli alimenti che dicono sia completamente insapore e non tossico. Lo chiamano LiquiGlide e descriverlo come un "liquido strutturato" - rigido come un solido, ma scivoloso come un liquido. Spalmare l'interno di una bottiglia di condimento con LiquiGlide, e i contenuti scivolano fuori come, bene, cacca da un'oca.
Il sottomarino Los Angeles Class Attack USS Chicago (SSN 721) completa una manovra di addestramento al largo della costa della Malesia nel luglio 2001. Ti fa capire come l'attrito potrebbe essere una forza formidabile per una bestia come quella. Immagine cortesia U.S. Navy/fotografo compagno di prima classe Kevin H. Tierney Gli ingegneri sono ossessionati dalla progettazione di sottomarini da oltre 200 anni, ma non sono stati in grado di eliminare uno dei suoi problemi più fastidiosi... resistenza per attrito , una forza che si oppone al movimento in avanti quando l'acqua si attacca alla superficie dello scafo esterno. Secondo alcune stime, questo "attrito con la pelle" rappresenta circa il 65 percento del trascinamento sui sottomarini [fonte:Pike].
Una soluzione? Un sistema di espulsione del polimero. In un tale sistema, il polimero viene immagazzinato in un serbatoio e quindi espulso attraverso una serie di porte mentre il sottomarino si muove. Il polimero scorre sulla superficie e riduce l'interazione delle molecole d'acqua con la superficie. Sfortunatamente, il sistema aumenta anche il peso della nave.
Ora gli scienziati potrebbero avere un trucco migliore:rivestire i sottomarini con una superficie antiaderente realizzata con una rivoluzionaria nanotecnologia. Il materiale non sembra straordinariamente speciale ad occhio nudo. Ma se lo guardi al microscopio, vedi che contiene minuscoli aghi distanziati solo un paio di milionesimi di metro l'uno dall'altro. Gli aghi riposano, come uno strato d'erba, su una superficie di teflon. Quando l'acqua colpisce il materiale, incontra aria intrappolata negli spazi tra gli aghi. E questo rende il materiale estremamente scivoloso:il 99 percento meno appiccicoso di una normale superficie in teflon senza aghi di dimensioni nanometriche [fonte:BBC News].
I sottomarini rivestiti con la nanotecnologia avrebbero molta meno resistenza all'attrito e richiederebbero meno carburante per azionarli. E, Sì, un impermeabile realizzato con lo stesso materiale ti proteggerebbe molto meglio del trench London Fog più costoso.
Un antigelo rimuove la neve da uno Stratotanker KC-135 prima che decolli dalla base aerea di Manas, Kirghizistan, diretto in Afghanistan. Immagine cortesia US Air Force/Tech. sergente Matthew McLean Le ali degli aeroplani forniscono una notevole quantità di portanza, purché mantengano la loro forma di fabbrica. Rivestire un'ala anche con un sottile strato di neve o ghiaccio, però, e interrompi la sua capacità di mantenere un aereo in volo. Infatti, da alcune stime, l'accumulo di ghiaccio può ridurre la portanza fino al 25%, motivo per cui gli equipaggi di terra e di volo si preoccupano così tanto dello sbrinamento durante i viaggi aerei invernali [fonte:Kaydee].
Il metodo collaudato per rimuovere il ghiaccio prevede una strategia in tre fasi. Durante il primo passo, sbrinamento, il personale di terra dell'aeroporto spruzza una soluzione calda di glicole e acqua sulle ali di un aereo. Questo scioglie il ghiaccio esistente ma fa poco per prevenire la formazione di nuovo ghiaccio. La realizzazione di ciò richiede un passaggio antigelo e un secondo tipo di fluido, che contiene più glicole e un additivo aggiuntivo per farlo aderire alla superficie dell'ala durante il decollo. Una volta che un aeromobile raggiunge la sua quota di crociera, i liquidi diventano meno efficaci nella lotta contro le precipitazioni gelate. I piloti di jet risolvono il problema deviando un po' di calore dai motori alle tubazioni nelle ali. I piloti di aerei a elica si affidano a stivali di gomma che si gonfiano e si sgonfiano per eliminare il ghiaccio dalle ali e dalla coda.
Ma cosa accadrebbe se potessi costruire un aereo con una superficie così liscia che il ghiaccio non si forma in primo luogo? Diversi tipi di nanotecnologia potrebbero presto renderlo realtà. Gli scienziati di GE Global Research hanno sviluppato un nanostrutturato, Rivestimento superidrofobico (o idrorepellente) che riduce drasticamente l'adesione del ghiaccio sulle superfici delle ali. E un team della North Carolina State University sta sperimentando un polimero antiaderente che funziona insieme a un substrato elastico. Il polimero viene applicato al substrato quando il materiale elastico viene leggermente allungato. Quando la tensione è allentata, il substrato unisce le molecole polimeriche in una configurazione superdensa. Le ali degli aeroplani rivestite con polimeri privi di attrito resistono a essere rivestite da qualsiasi cosa, anche dal ghiaccio.
La stazione della metropolitana di Times Square nel 1974 testimonia quello che è stato un problema decennale per innumerevoli città. Erik Calonius/Archivi Nazionali È improbabile che gli artisti dei graffiti compaiano nella lista dei dieci fuggitivi più ricercati dell'FBI, ma le città ei comuni prendono molto sul serio questo particolare tipo di vandalismo. Chicago ha speso 4,1 milioni di dollari nel 2012 per il suo programma anti-graffiti e, nel 2011, rimosso 137, 459 esempi di opere d'arte dipinte a spruzzo da ponti, edifici e segni [fonte:Novak]. A Los Angeles, il problema - e il budget necessario per affrontarlo - è ancora più grande. Sono un sacco di soldi e potere umano che potrebbero essere destinati ad altri servizi sociali e programmi cittadini.
Le squadre di pulizia dei graffiti utilizzano una varietà di tecniche per spazzare via le opere d'arte illecite:ridipinture, rimozione chimica e lavaggio elettrico. Sfortunatamente, alcuni di questi metodi possono produrre un pugno nell'occhio più grande del vandalismo stesso. Entra nel muro che respinge i graffiti, che presenta un materiale antiaderente che resiste all'adesione della vernice o rende la rimozione molto più facile perché la vernice non interagisce con la superficie protetta. Gli scienziati hanno creato uno di questi materiali per imitare le foglie del fiore di loto. La superficie di queste foglie reca un'intricata serie di creste microscopiche ricoperte di cera. Le creste intrappolano l'aria tra di loro e, di conseguenza, l'acqua che cade sulla foglia forma singole goccioline che semplicemente rotolano via. Un muro o un'insegna rivestiti con un materiale del genere - una nanostruttura costruita in laboratorio ma ispirata alla natura - sventasse gli artisti dei graffiti e probabilmente renderebbe i sindaci delle città molto, molto felice.
Sono abbastanza sicuro che possa trovare cose migliori da fare con il suo tempo, come andare al parco giochi. Forza auto autopulenti! iStockphoto/Thinkstock Alcune persone amano lavare le loro auto, ma molte persone apprezzerebbero avere il look appena uscito dallo showroom senza tutto lo sforzo. E non dimenticare l'impatto ambientale dell'autolavaggio, che drena le riserve idriche e riversa sostanze inquinanti nelle zone umide in via di estinzione. Se solo le nostre auto si pulissero da sole.
Grazie ad alcuni ricercatori della Eindhoven University of Technology nei Paesi Bassi, potremmo essere più vicini a una Prius perennemente lucida. Gli scienziati non hanno inventato una nuovissima nanotecnologia. Anziché, hanno preso un prodotto resistente all'acqua esistente, già in uso su alcuni veicoli, e lo ha reso migliore. Il rivestimento originale ha funzionato perché è stato incorporato con nanocapsule nella sua superficie. Quelle minuscole capsule respingevano l'acqua e contenevano detergenti o goccioline di vernice in modo che quando si rompono, dire da un graffio chiave, hanno rilasciato il loro contenuto e "guarito" il difetto. Sfortunatamente, le capsule avevano una durata di conservazione limitata. Per estendere le proprietà autopulenti/cicatrizzanti del rivestimento, gli scienziati olandesi hanno ridisegnato la sua nanostruttura in modo che le capsule risiedano sugli steli. Quando una combinazione capsula/gambo viene disturbata, un altro fusto sottostante si alza e si orienta in superficie per ripristinare la finitura di fabbrica.
Le auto armate con questo nuovo rivestimento richiederanno poco più di una buona pioggia per lavare via sporco e sporcizia. E gli escrementi di uccelli schizzati sulla porta o sul cofano potrebbero essere un ricordo del passato.
Fino a quando la casa del futuro è qui, potresti occasionalmente trovare questo ragazzo nel tuo bagno. Ti lasceremo decidere se è un bene o un male. iStockphoto/Thinkstock I rivenditori non sono le uniche persone che aspettano con ansia il giorno dopo il Ringraziamento. Apparentemente, anche gli idraulici amano il Black Friday, quale, secondo almeno una fonte, è il momento migliore per i tubi intasati in bagno e in cucina [fonte:Henkenius]. Anche se quella strana relazione sembra un po' misteriosa (anche se siamo sicuri che lo zio Fred abbia qualcosa a che fare con essa), i come ei perché degli zoccoli sono noti da anni. Iniziano quando una piccola quantità di detriti si attacca all'interno di un tubo e poi agisce come un nucleo su cui si raccoglie altro materiale. Per esempio, se svuoti il grasso nel lavello della cucina, il grasso si attacca ai lati del tubo e le particelle di cibo si attaccano al grasso. Man mano che l'ostruzione cresce nel tempo, l'acqua torna dietro il blocco.
Nella casa del futuro, tutti i tubi saranno rivestiti con un rivestimento privo di attrito. Ciò impedirà ai detriti di attaccarsi e dovrebbe rendere praticamente inesistenti gli zoccoli. Molte imprese commerciali hanno già investito in tecnologie simili. Produttori chimici, Per esempio, comunemente usano tubi rivestiti con politetrafluoroetilene, o PTFE. Potresti riconoscere il PTFE dal suo marchio più comune:Teflon, lo stesso materiale che riveste pentole e padelle antiaderenti. Se utilizzato in tubi e tubazioni, Il PTFE previene le incrostazioni e gli intasamenti. Inoltre riduce al minimo la resistenza ai fluidi, che rende gli ambienti di produzione molto più efficienti.
Fino a quando non avrai tubi rivestiti in teflon in casa tua, forse è meglio mandare zio Fred a fare le valigie. Oppure fai scorta di stantuffi e detergenti chimici per scarichi.
Il cacciatorpediniere lanciamissili di classe Arleigh Burke USS McCampbell (DDG 85) naviga nel Mare delle Andamane nell'ottobre 2012. Liberare la USS McCampbell e altre navi della sua classe di crostacei d'acqua salata può costare alla Marina milioni di dollari all'anno. Immagine cortesia U.S. Navy/comunicazione di massa specialista di terza classe Justin A. Johndro A meno che tu non possieda una nave marinara, probabilmente non perdi molto sonno per i cirripedi. Ma per le marine, porti turistici e pescherecci commerciali, è una preoccupazione seria. Uno studio del 2011 condotto da ricercatori dell'Accademia Navale degli Stati Uniti ha scoperto che biofouling - questo è il termine di fantasia usato per descrivere cosa succede quando i piccoli crostacei di acqua salata aderiscono a uno scafo o a un'elica e diminuiscono l'efficienza della nave - costa alla Marina $ 56 milioni all'anno o $ 1 miliardo in 15 anni [fonte:Schultz]. E questo è solo per una classe di navi:i cacciatorpediniere missilistici di classe Arleigh Burke.
La maggior parte di questi costi comporta un processo di pulitura e verniciatura che esiste da secoli. Primo, la nave è posta in bacino di carenaggio, poi gli operai raschiano i cirripedi dallo scafo e dalle pale dell'elica. Finalmente, trattano le superfici esposte con vernici contenenti stagno o rame. I metalli nella vernice sono tossici per le larve di cirripedi, impedendo loro di stabilirsi e di trovare una casa permanente. Ma la vernice svanisce nel tempo, il che significa che le navi devono essere pulite ripetutamente nel corso della loro vita.
Per fortuna, gli scienziati hanno scoperto quello che potrebbe essere un approccio migliore. Dopo aver appreso che i cirripedi preferiscono le superfici lisce, hanno creato un materiale microstrutturato contenente piccoli picchi e valli di dimensioni comprese tra 1 e 100 micrometri. Quindi hanno esposto il materiale all'acqua di mare piena di cirripedi per misurare la quantità di attaccamento che ha avuto luogo. Hanno scoperto che quando la topografia della tessitura superficiale rimaneva nell'intervallo da 30 a 45 micrometri, l'insediamento e l'attaccamento dei cirripedi è stato ridotto del 92 percento rispetto alle superfici lisce [fonte:Berntsson]. La ricerca può portare al primo antiaderente, nave del futuro sfonda-cirripedi.
Ew. Solo ew. Questo è tutto ciò che abbiamo da dire su questo muro di gomma. iStockphoto/Thinkstock Se sei un amante della gomma, soprattutto uno che vive nella giungla di cemento di qualsiasi grande città, mastica questo:ogni volta che sputi un pezzo di quella roba appiccicosa per terra, finisci per pagarlo sotto forma di tasse più alte. Giusto, raschiare la gomma scartata dai marciapiedi e dalle strade richiede prodotti chimici, pulitori a vapore, idropulitrici e operatori per fare il lavoro sporco. A Charleston, NS., la città spende $ 200 al mese solo per mantenere tre poli di utilità nel suo distretto di City Market privi di mazzette ribelli. E a Ocean City, Md., due dipendenti della città trascorrono tre settimane ogni autunno a pulire i marciapiedi in un'area di 14 isolati vicino al lungomare [fonte:Bryant]. Non è un problema nuovo, o. Nel 1939, nell'ambito della campagna contro la gomma da masticare del sindaco La Guardia, più di 20, 000 mazzette di roba appiccicosa sono state rimosse da un punto a Times Square [fonte:Stead].
Una società di polimeri con sede nel Regno Unito, Revolymer, sta lavorando per rendere questo particolare problema un ricordo del passato. I suoi scienziati hanno creato una gomma rivoluzionaria, Rev7, che può essere facilmente rimosso da una vasta gamma di superfici, compresi marciapiedi lastricati, tappeti, tessili e abbigliamento. Per conferire a Rev7 le sue proprietà antiaderenti, l'azienda aggiunge una sostanza chimica alla base della gomma che è sia idrofila (amante dell'acqua) che idrofobica (che odia l'acqua o amante del petrolio). L'affinità del polimero per l'olio rende la gomma morbida e flessibile, ma la sua attrazione per l'acqua fa sì che la gomma abbia sempre un velo d'acqua intorno, anche quando non è nella bocca di qualcuno. È questo film d'acqua che permette a qualcuno di staccare Rev7 da qualsiasi superficie.
Non che questo ti dia una scusa per sputare la gomma dove e quando vuoi. Miss Manners suggerisce che tutte le gomme, anche il tipo senza attrito, devono essere smaltiti correttamente.
La LZR Racer in mostra nell'estate 2008 Immagine gentilmente concessa da Kazuhisa Otsubo/Cytech (licenza CC BY 2.0) Vuoi nuotare come uno squalo? Allora devi avere la pelle come uno squalo. Sembra impossibile, ma se indossi un body high-tech, come l'LZR Racer di Speedo, allora sei un passo più vicino. La tuta utilizza pannelli in poliuretano per intrappolare l'aria e comprimere il corpo per aumentare la galleggiabilità della tuta e ridurre la resistenza. Ma questo è solo l'inizio. Il tessuto dell'LZR Racer è rivestito con nanoparticelle idrofobe che respingono l'acqua e riducono l'attrito lungo il corpo del nuotatore. Dopo che tali body furono introdotti poco prima delle Olimpiadi del 2000 a Sydney, Australia, nuotatori competitivi hanno continuato a battere molti record mondiali, portando al loro eventuale divieto alle Olimpiadi di Londra 2012 [fonte:Dorey].
Infine, potrebbero essere possibili anche abiti migliori -- e potrebbero sembrare sempre più simili a vere squame di squalo, che sono nervati con scanalature longitudinali. Questa superficie ruvida riduce la formazione di vortici lungo il corpo di uno squalo nuotatore, permettendo loro di scivolare attraverso l'acqua come un missile quasi senza attrito. Speedo continua a sperimentare trame ispirate agli squali per far progredire il design dei suoi costumi da bagno, anche se gli atleti olimpici non potranno mai indossarli in gara. Questo non dovrebbe fermarti, però, da scivolare in una seconda pelle e spazzare via la concorrenza nella piscina locale.
Ricorda Clark W. Griswold di "Christmas Vacation" di National Lampoon:"Questo è il nuovo non calorico, lubrificante da cucina a base di silicone su cui la mia azienda ha lavorato. Crea una superficie 500 volte più scivolosa di qualsiasi olio da cucina." Clark strofina il lubrificante sulla sua slitta a disco e procede a schizzare giù per una collina innevata come un cretino uscito dall'inferno. Stavamo cercando qualcosa di simile, anche se un po' meno stravagante, soluzioni per completare questo articolo.
