ВСЕ ДЕЛО В СМАЧИВАНИИ
"ЛЮБИТ" ИЛИ "БОИТСЯ"?
Всем известно, что, если поместить каплю жидкости на плоскую поверхность, она либо растечется по ней, либо примет округлую форму. Причем размер и выпуклость (величина так называемого краевого угла) лежащей капли определяется тем, насколько хорошо она смачивает данную поверхность. Явление смачивания можно объяснить следующим образом. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого тела, жидкость стремится собраться в капельку. Так ведет себя ртуть на стекле, вода на парафине или на «жирной» поверхности. Если же, наоборот, молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого тела, жидкость «прижимается» к поверхности, расплывается по ней. Это происходит с каплей ртути на цинковой пластине или с каплей воды на чистом стекле. В первом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность (краевой угол больше 90°), а во втором — смачивает ее (краевой угол меньше 90°). Иначе говорят, что в первом случае поверхность по отношению к данной жидкости лиофобна (от греч. лио — растворяю, фобио – бояться), а во втором — лиофильна (филио — любить).
ГЛАВНОЕ - СМАЗКА
Таким образом, все определяется силой взаимного притяжения молекул жидкости и твердого тела, которая в свою очередь зависит как от природы жидкости, так и от свойств поверхности. Можно ли управлять этими свойствами? Оказывается, да. Растения и животные в процессе эволюции придумали для этого множество остроумных способов. Из них самый очевидный — смазать поверхность тонким слоем вещества, «любящего» или «не любящего» данную жидкость. В случае воды говорят о гидрофильных и гидрофобных покрытиях. Легко проверить, что, если намазать поверхность стекла маслом, ее водоотталкивающие свойства возрастут, а если вместо масла взять мыло – наоборот, уменьшатся.
Именно водоотталкивающая смазка помогает многим животным спасаться от излишнего намокания. Например, исследования морских животных и птиц – котиков, тюленей, пингвинов, гагар – показали, что их пуховые волосы и перья обладают гидрофобными свойствами, тогда как остевые волосы зверей и верхняя часть контурных перьев птиц хорошо смачиваются водой. В результате между телом животного и водой создается воздушная прослойка, играющая значительную роль в терморегуляции и теплоизоляции.
"ЭФФЕКТ ЛОТОСА"
Но смазка это еще не все. Немалую роль в явлении смачивания играет и структура поверхности. Шероховатый, бугристый или пористый рельеф может улучшить смачивание. Вспомним, к примеру, губки и махровые полотенца, прекрасно впитывающие воду. Но если поверхность изначально «боится» воды, то развитый рельеф лишь усугубит ситуацию: капельки воды будут собираться на выступах и скатываться.
На этом основан так называемый «эффект лотоса». Лотос издревле почитается на Востоке как символ чистоты — его лепестки всегда остаются сухими и белоснежными. Загадка лотоса объяснилась сравнительно недавно. Оказалось, что дело не только в воскоподобном (гидрофобном) покрытии его лепестков, но и в особой микроструктуре их поверхности. Рельеф лепестка лотоса образован набором холмов и впадин микронного размера, покрытых отдельными «крупинками» гидрофобного вещества диаметром в несколько нанометров. Попав на такую поверхность, капля принимает форму, близкую к сферической, и легко скатывается с нее, унося с собой частицы загрязнений. Похожим образом устроены крылья бабочек и многих других насекомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они потеряли бы способность летать.
«Эффект лотоса» используется в промышленности для создания супергидрофобных самоочищающихся покрытий и красок, на которых краевой угол воды превышает 1500. Например, ученые из Массачусетского технологического института (США) недавно разработали «сверхводоотталкивающее» покрытие, состоящее из нескольких слоев микропористой пленки полиэлектролита и кремниевых наночастиц. Ученые признались, что их вдохновил «эффект лотоса».
А японских ученых воодушевили бабочки. Прототипом созданного ими декоративного покрытия послужила поверхность крыльев бриллиантово-голубой бабочки Morpho sulkowskyi. Пленка была сформирована из частиц кварца диаметром 6 нанометров и шариков полистирола диаметром несколько сотен микрон. После нагрева пленки и удаления полистирола был получен материал, состоящий из частиц кварца, разделенных воздушными промежутками. Затем поверхность покрыли слоем гидрофобного вещества (фторалкилсилана), и в результате краевой угол воды на пленке стал равен 1600. Попутно оказалось, что микроструктура полученного покрытия не только отталкивает воду, но и способствует рассеянию и дифракции света — вот почему бабочки Morpho sulkowskyi не только остаются сухими в любую погоду, но и переливаются на солнце всеми цветами радуги. Меняя величину воздушных промежутков в пленке (то есть размер шариков полистирола), ученые научились задавать цвет покрытия в пределах от красного до синего.
ОТ "НАНОКОВРА" К "НАНОГАЗОНУ"
Вы когда-нибудь наблюдали капли после дождя на траве или на листьях деревьев? Они лежат блестящими на солнце жемчужинами. Особенно красивы капли на ворсистых поверхностях листьев: поддерживаемые ворсинками, они как бы висят в воздухе в виде отдельных шариков, не касаясь поверхности листа и не смачивая его. Наклоните лист — и капля скатится, оставив после себя совершенно сухую поверхность.
В последнее время ученые проявляют большой интерес к «нановорсистым» покрытиям, состоящим из множества «волосков» нанометровых размеров (в десятки — сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса). Такие поверхностные структуры благодаря сильно развитому рельефу способны многократно усиливать как гидрофобные, так и гидрофильные свойства материалов.
К примеру, китайские ученые недавно смастерили «наноковер» — материал, поверхность которого образована густо расположенными «ворсинками» диаметром всего 50—150 нанометров. Известно, что оксид цинка, из которого «соткан» чудо-ковер, обладает способностью переходить из гидрофобного в гидрофильное состояние под действием ультрафиолета. Эффект связан с накоплением заряда в поверхностном слое полупроводника под действием облучения. (Заряжение поверхности — еще один из способов изменения ее смачиваемости.) В темноте поверхностный заряд постепенно стекает (примерно за неделю), и оксид цинка восстанавливает присущую ему «водобоязнь». Наличие «нановорсинок» многократно усилило свойства полупроводника, расширив диапазон переключений «наноковра» от супергидрофобного до супергидрофильного (краевой угол близок к нулю) состояния. Такое покрытие могло бы найти массу применений в промышленности и хозяйстве, если бы не один недостаток — слишком большое время обратного переключения. Впрочем, китайцы надеются в скором времени от этого недостатка избавиться.
А вот ученые из Bell Labs (исследовательского отделения американской фирмы «Lucent Technologies») пошли несколько иным путем, вырастив ворсистую наноструктуру, названную ими «нанотрава», на пластинке кремния. Если в китайском «наноковре» ворсинки расположены совершенно хаотически, немного отличаются по размерам и торчат в разные стороны, то американский «наногазон» потрясает воображение своей строго регулярной структурой. В опытных образцах «нанотравинки» кремния представляли собой аккуратные столбики диаметром 350 нм и высотой 7 микрон (0,007 мм). Расстояние между столбиками было строго фиксировано и составляло на разных образцах от 1 до 4 микрон. Такую упорядоченную структуру приготовляли путем травления кремния в плазме через маску из фоторезиста, затем на ней выращивали путем окисления тонкий слой диэлектрика (оксида кремния), а сверху покрывали всю наноструктуру тончайшим слоем гидрофобного полимера. Легко догадаться, что материал оказался супергидрофобным: капли жидкости, упавшие в «нанотраву», буквально повисают в воздухе, подпираемые «нанотравинками». Площадь касания шариков жидкости с «нанотравой» очень мала (контактный угол близок к 1800), поэтому они чрезвычайно подвижны — малейший наклон поверхности приводит к их быстрому скатыванию. «Наногазон» пригодится не только для создания супергидрофобных самоочищающихся покрытий. Оказалось, что его смачиваемостью можно легко управлять.
"ТАНЦУЮЩАЯ КАПЛЯ"
До сих пор мы говорили об изменении смачиваемости путем модификации поверхности. А можно ли как-то менять свойства жидкости, а именно ее поверхностное натяжение? Можно, например, подмешав к ней вещества, способные менять силу взаимного притяжения молекул в поверхностном слое. Достаточно влить в воду немного этилового спирта или мыльного раствора, чтобы заметно снизить ее поверхностное натяжение. А вот добавление глицерина, наоборот, приведет к увеличению краевого угла. Однако замена воды раствором глицерина, мыла и тем более спирта не всегда желательна. Повышая температуру или давление, можно ослабить поверхностное натяжение, а понижая – усилить. Но что делать, если температура и давление фиксированы? На помощь приходит электричество. Еще в конце XIX века было обнаружено, что величина разности потенциалов между поверхностью и каплей проводящей жидкости влияет на смачивание: краевой угол уменьшается пропорционально квадрату напряжения. Это так называемый эффект электросмачивания.
Поместим каплю воды на супергидрофобную поверхность — она образует почти идеальный шарик. Затем приложим между поверхностью и каплей напряжение — капля как бы прижмется к поверхности, краевой угол уменьшится. Плавно увеличивая и уменьшая напряжение, можно заставить каплю «танцевать». Поскольку вода преломляет свет иначе, чем воздух, то лежащая капля — это своего рода линза, только жидкая. В ходе «танца» кривизна поверхности капли меняется, следовательно, меняется и преломляющая способность линзы, ее фокусное расстояние. Эффективно и предельно просто! Нет никаких подвижных механических деталей. Работа жидкой линзы очень напоминает человеческий глаз, который фокусируется путем изменения кривизны хрусталика.
В последние годы «жидкими линзами» заинтересовались сразу несколько крупных компаний, занимающихся информационными технологиями и видеотехникой. В частности, год назад компания «Philips» анонсировала оптическую систему FluidFocus, работающую по принципу «жидкой линзы». Устройство состоит из небольшой трубки с прозрачными торцами, заполненной двумя несмешивающимися жидкостями с различными коэффициентами преломления. Одна представляет собой проводящий электричество водный раствор, а другая — масло, изолятор. Внутренняя поверхность трубки и один из торцов покрыты гидрофобным покрытием, в результате чего водный раствор, скапливающийся у противоположного торца, принимает полусферическую форму. Фокусное расстояние (кривизна линзы) изменяется увеличением или уменьшением электрического потенциала, приложенного к гидрофобному покрытию. При этом поверхность может стать совершенно плоской и даже вогнутой – линза из собирающей превратится в рассеивающую или наоборот. Размеры опытного образца FluidFocus составили всего несколько миллиметров, его фокусное расстояние меняется от 5 сантиметров до бесконечности, и, что особенно важно, скорость переключения между двумя крайними режимами работы менее 10 миллисекунд, а энергопотребление крайне мало. Последнее обстоятельство открывает возможности применения «жидких линз» в портативных устройствах, работающих от аккумуляторов: цифровых фотоаппаратах, встроенных в мобильный телефон видеокамерах и прочей технике.
Системы, подобные FluidFocus, разрабатывают и другие компании. «Bell Labs», например, сконструировала свой вариант «жидкой линзы».
"ЖИДКИЕ" ДИСПЛЕИ И ВИДЕО НА "БУМАГЕ"
Капля, управляемая с помощью эффекта электросмачивания, — это не только «жидкая линза», но и своего рода переключатель, сочетающий миниатюрность и простоту устройства с высокой скоростью и эффективностью. Он может найти множество самых неожиданных применений – например, для нового поколения дисплеев, к созданию которых уже предложено два подхода.
Исследователи из фирмы «Philips» предлагают использовать в качестве основного рабочего вещества новых дисплеев водно-масляную эмульсию. Пиксель монохромного дисплея представляет собой ячейку, на дно которой нанесены хорошо отражающее белое покрытие и прозрачный электрод с водоотталкивающим изолятором. Ячейка заполнена смесью воды с маслом, подкрашенным черной краской. В отсутствие напряжения вода, отталкиваемая гидрофобным электродом, располагается вверху ячейки, масло растекается по электроду, полностью закрывая белую подложку, и пиксель выглядит черным. При подаче напряжения (порядка 20 вольт) на электрод вода за счет эффекта электросмачивания устремляется к нему, вытесняя масло в угол ячейки и открывая большую часть белой подложки. Благодаря миниатюрным размерам ячейки (500x500 микрон) и высокой отражательной способности подложки черная капля в углу незаметна, и пиксель становится белым. Плавно меняя напряжение от нуля до максимума, можно частично открывать подложку, получая нужный тон серого цвета. Процесс переключения пикселя занимает порядка 10 миллисекунд.
Чтобы получить цветное изображение, предлагается разделить пиксель на три подпикселя, каждый из которых состоит из двух управляемых независимо разноцветных масляных слоев и светофильтра. Такая сложная структура позволяет использовать две трети общей площади экрана для воспроизведения какого-то одного цвета (а не треть, как в обычных дисплеях). В результате достигается беспрецедентная яркость изображения: по заявлению «Philips», она должна возрасти в четыре раза по сравнению с жидко-кристаллическими панелями. Подробнее об этой технологии можно узнать на сайте http://www.research.philips.com
Принципиально другой вариант дисплея, работающего на эффекте электросмачивания, придумали исследователи из Университета Британской Колумбии (Канада). Их идея состоит в том, чтобы использовать капли жидкости в качестве отражателей света. Пока напряжения нет, капля на прозрачной гидрофобной подложке имеет почти сферическую форму, ее контакт с подложкой минимален. Подавая напряжение и увеличивая тем самым площадь контакта, можно придать капле форму полусферы. Теперь падающий снизу свет будет проходить сквозь прозрачную подложку и каплю, пока не достигнет границы жидкость — воздух, где он испытает эффект полного внутреннего отражения, и после серии таких отражений вернется назад, к наблюдателю. Таким образом, при подаче напряжения капля превращается в обратный отражатель и яркость пикселя многократно возрастает. Поскольку полное внутреннее отражение возможно лишь при углах падения света на границу раздела меньших определенного, так называемого критического, световое пятно, отраженное пикселем, будет иметь форму кольца (но наблюдатель этого не заметит в силу крайней малости его диаметра).
Обе предложенные технологии позволяют создавать дисплеи с высокой яркостью и контрастностью, низким потреблением энергии и малым рабочим напряжением. Это открывает широкие возможности их применения не только в стационарных, но и в мобильных устройствах. Новые дисплеи можно сделать очень тонкими и гибкими, а их пиксели способны переключаться достаточно быстро, чтобы предавать видеоизображения, — ну чем не «электронная бумага»! Книги и газеты из такой «бумаги» смогут воспроизводить не только текст и картинки, но и видео.
Возникает законный вопрос: а как же сила тяжести? Казалось бы, если «жидкий» дисплей, лежавший сначала горизонтально, поставить вертикально, жидкость внутри ячеек-пикселей начнет перетекать в новое положение и при этом, естественно, устройство перестанет работать. Однако ничего подобного не происходит, как ни крути. Дело в том, что в миниатюрном пикселе силы поверхностного натяжения на границах сред значительно превышают силу тяжести, поскольку масса жидкости внутри него очень мала. Так что в пикселях именно поверхностное натяжение, а не гравитация, «правит бал».
КАПЛЯ В "НАНОТРАВЕ"
Вернемся вновь к «нанотраве» и лежащей на ней капле воды. Что произойдет, если применить к ним эффект электросмачивания? После приложения достаточного напряжения капля не просто уменьшит свой краевой угол — она частично «всосется» в «нановорсистое» покрытие, смочив «травинки» до самого основания. При этом она потеряет не только свою форму, но и подвижность, прочно «застряв» в «нанотраве». Уменьшим напряжение — и капля мгновенно отпрянет назад, на кончики «нанотравинок», вновь обретя и почти сферическую форму, и свободу передвижения. Как показали исследования, проведенные в Bell Labs, переход между двумя состояниями происходит скачком при определенном пороговом значении напряжения (порядка 20 вольт), тогда как на обычных гидрофобных поверхностях краевой угол плавно уменьшается с ростом напряжения. Уникальные свойства «нанотравяного» переключателя могут найти массу интересных применений.
Так, компания «Lucent Technologies» уже анонсировала прототип нового энергосберегающего аккумулятора на «нанотраве». Идея состоит в том, чтобы заставить аккумулятор вырабатывать электроэнергию только тогда, когда это действительно необходимо, а не постоянно, как происходит в обычных батареях, отчего они и садятся так быстро. Управляя подвижностью жидких реагентов с помощью «нанотравы», можно управлять ходом электрохимической реакции, останавливая ее или запуская вновь.
Другое любопытное применение «нанотравы» — охлаждение элементов микросхем. Здесь используется эффект повышения смачиваемости с ростом температуры (об этом уже шла речь выше). Вместо того чтобы охлаждать всю микросхему целиком с помощью громоздкого вентилятора и тратить на это массу энергии, как это принято сегодня, можно поручить дело «нанотраве». Для этого достаточно протравить на поверхности чипа сеть микроканалов, по которым будет двигаться охлаждающая жидкость, а на верху чипа разместить что-то вроде радиатора, или теплоотвода. Стенки микроканалов нужно покрыть «наногазоном» — тогда жидкость будет легко передвигаться по ним, всасываясь в «нанотраву» только на перегретых участках и тем самым охлаждая поверхность чипа только там, где это необходимо.
«Нанотрава» может быть очень полезна в микрофлюидике – новой науке и технологии создания «жидкостных» чипов, микроустройств, позволяющих управлять движением и перемешиванием микроколичеств жидкостей с целью анализа, диагностики и проведения различных экспериментов. Такие устройства применяются, например, для проведения генетического анализа. Есть также идеи использования «нанотравы» в оптических переключателях оптоволоконных сетей и во многих других устройствах.
*
«Жидкие линзы» и отражающие дисплеи, самоочищающиеся покрытия и электронная бумага для показа видео, аккумуляторы и охлаждающие системы — и все это благодаря явлению смачивания. Удастся ли реализовать все эти идеи на практике и довести устройства до массового потребителя? Время покажет. Возможно, будущее информационных и телекоммуникационных систем во многом определиться свойствами обычной капли.
Иллюстрация «Жидкая линза».»
«Жидкая линза» — ячейка с прозрачными торцами, заполненная двумя жидкостями, проводящей и непроводящей, с разными коэффициентами преломления. Проводящая жидкость отталкивается от гидрофобного покрытия, собираясь в полусферу, так что непроводящая образует отрицательную (рассеивающую) линзу. Напряжение, поданное на окружающие ячейку электроды, изменяет кривизну ее поверхности и, следовательно, фокусное расстояние линзы — она может превратиться из рассеивающей в собирающую.
Иллюстрация «Пиксель дисплея, работающий на принципе электросмачивания».
Пиксель дисплея, работающий на принципе электросмачивания — миниатюрная квадратная ячейка, заполненная водой (1) с каплей окрашенного масла (2). Белое донце ячейки (3) покрыто слоем гидрофобного вещества (4), под которым лежит прозрачный электрод (5). Гидрофобное покрытие отталкивает воду, и масло ровным слоем растекается по всей поверхности дна, окрашивая пиксель (А). Когда между водой и электродом создается разность потенциалов, поверхность становится гидрофильной. Вода ее смачивает, оттесняя масло в угол и открывая белое донце пикселя (Б). Плавно меняя напряжение, можно получить разные цветовые тона.
Иллюстрация «На цветном дисплее каждый пиксель разделен на три подпикселя».
На цветном дисплее каждый пиксель разделен на три подпикселя. В их ячейках содержатся по два управляемых независимо слоя масла разных цветов (1;2) и светофильтр (3). В отсутствие напряжения подпиксель выглядит черным. Частично или полностью убирая поданным напряжением слои масла, получают несколько вариантов цвета. А все пиксели вместе создают многоцветное изображение.
