"Antag en helt gnidningsfri overflade." Hvor mange gange så vi det udsagn i vores fysikklasse på gymnasiet? Og hvor mange gange undrede vi os over, hvorfor vores lærere var så ivrige efter at få os til at leve i en fantasiverden? Nu, takket være en gruppe forskere kendt som tribologer , udsigten til at eliminere friktion mellem to interagerende overflader er hurtigt ved at blive en realitet.
Det gøres på interessante måder, også. For eksempel, et team af forskere ved Harvard University studerede den kødædende kandeblads blade, som har mikroskopiske kamme, der fælder et lag flydende nektar mellem dem. Overfladen er så glat, at insekter, der lander på bladene, glider af og falder i dybe, kandeformede poser, hvor enzymer sluger dem. Tilbage i laboratoriet, forskerne kopierede den glatte skråning af kandeplanten ved at oprette et tilfældigt netværk af vandafvisende nanoposter og teflonbelagte nanofibre og derefter lægge dem i blød i en fluorrig væske. Væsken dannede et lag mellem nanostrukturer, forhindrer vand og andre materialer i at strømme mellem dem og skaber en næsten nonstick -overflade.
Hvad kan gnidningsfrie overflader gøre for dig? Godt, vi har alle vendt et par æg på nonstick -stegepande, men det er bare toppen af et superglat isbjerg.
IndholdBiofilm - gobeliner af mikrober, såsom bakterier eller svampe, der vokser fast på et fast underlag- forårsager masser af problemer for sundhedspersonale. Ifølge National Institutes of Health, biofilmdannelse tegner sig for 65 procent af alle humane mikrobielle infektioner [kilde:Ames]. Du tror måske, at hårdhændet rengøring er svaret på problemet, men biofilm modstår hårdnakket at skrubbe. De har også en tendens til at trække virkningerne af antibiotika væk. Den bedre løsning indebærer at forhindre bakterier i at fæstne sig til et substrat i første omgang. Hej, gnidningsfri overflade!
En biofilm begynder sit liv, når et par ubekymrede mikroorganismer krydser ved en bordplade eller et kirurgisk instrument og stikker, enten ved hjælp af klæbrige adhæsionsmolekyler eller strukturer kendt som pili . Når den er vedhæftet, denne lille gruppe celler udskiller en ekstracellulært polymert stof , eller EPS , som fungerer som cement for at holde cellerne - og deres afkom - permanent på plads. Men hvis du kan afbryde tilknytningsprocessen, du kan stoppe biofilmen fra at dannes.
Det er præcis, hvad et team af forskere fra University of Nottingham i U.K. har gjort. Ved at belægge laboratorieoverflader og medicinsk udstyr, såsom katetre, med en acrylatpolymer, der ligner dem, der anvendes i plastindustrien, forskerne var i stand til at forhindre, at bakterier, der kører trailere, får et tåhold. Resultatet:De fandt en reduktion på 97 procent i dækningen af Staphylococcus aureus bakterie [kilde:Ames].
I 1970'erne, Heinz byggede en hel annoncekampagne omkring sin supertykke, friktionsvenlig ketchup. Kampagnen lånte Carly Simons hit "Anticipation" og lovpriste dyderne ved en "smag, der er ventetiden værd."
Tilsyneladende, fødevareindustrien synes ikke, at affaldet er ventetiden værd. Ketchup, sennep, mayonnaise og grillsauce, der ikke kan lokkes fra flasker, betyder tabt indtægt for restaurantejere og familier, der forsøger at strække deres indkøbsbudgetter. Cirka 1 million pund (453, 592 kg) fastgjorte saucer og dressinger smides hvert år ud på verdensplan, ifølge Varanasi Research Group, et team af mekaniske ingeniører og nanoteknologer ved Massachusetts Institute of Technology. Så er der spørgsmålet om den store hætte, der kræves for at få krydderier ud af klemflasker. Eliminering af behovet for en så stor hætte ville reducere, hvor meget plast der går i en enkelt flaske, som kunne beholde 25, 000 tons oliebaserede produkter ud af affaldsstrømmen hvert år [kilde:LiquiGlide].
Det samme krydderi-vanvittige MIT-team har en løsning:Coat indersiden af flasker med et unikt materiale, der forhindrer ketchup, mayonnaise eller en anden form for sauce fra at klæbe til overfladen. De fleste lignende belægninger indeholder nanol smøremidler, du måske ikke vil indtage, men Cambridge-folkene udviklede et fødevaresikkert materiale, som de siger er helt usmageligt og ikke-giftigt. De kalder det LiquiGlide og beskrive det som en "struktureret væske" - stiv som et fast stof, men glat som en væske. Smør indersiden af en krydderiflaske med LiquiGlide, og indholdet glider ud som, godt, poop fra en gås.
Ingeniører har været besat af ubådsdesign i mere end 200 år, men de har ikke været i stand til at fjerne et af dets mest irriterende problemer - friktionstræk , en kraft, der modsætter sig fremadgående bevægelse, når vand klæber til overfladen af det ydre skrog. Ifølge nogle skøn, denne "hudfriktion" tegner sig for omtrent 65 procent af trækket på ubåde [kilde:Gedde].
En løsning? Et polymerudstødningssystem. I et sådant system, polymer opbevares i en tank og skubbes derefter ud gennem en række porte, når ubåden bevæger sig. Polymeren flyder over overfladen og reducerer interaktionen mellem vandmolekyler og overfladen. Desværre, systemet øger også skibets vægt.
Nu har forskere måske et bedre trick:pels ubåde med en nonstick -overflade lavet af en revolutionerende nanoteknologi. Materialet ser ikke ekstraordinært specielt ud med det blotte øje. Men hvis du ser det under et mikroskop, du kan se, at den indeholder små nåle med et par milliontedels meters mellemrum. Nålene hviler, som et lag græs, på en overflade af teflon. Når vand rammer materialet, den støder på luft fanget i mellemrummene mellem nålene. Og dette gør materialet ekstremt glat-99 procent mindre klæbrigt end en normal teflonoverflade uden nanostørrelser [kilde:BBC News].
Ubåde overtrukket med nanoteknologi ville have langt mindre friktionstræk og ville kræve mindre brændstof til at drive dem. Og, ja, en regnfrakke lavet af det samme materiale ville beskytte dig langt bedre end den dyreste London Fog -trenchcoat.
Flyvinger giver en betydelig mængde løft - så længe de bevarer deres fabriksform. Coat en vinge med et tyndt lag sne eller is, imidlertid, og du forstyrrer dets evne til at holde et fly i luften. Faktisk, efter nogle skøn, isopbygning kan reducere løft med hele 25 procent, derfor bekymrer jord- og flybesætninger sig så meget om afisning under vinterrejser [kilde:Kaydee].
Den afprøvede metode til at fjerne is indebærer en tretrinsstrategi. I løbet af det første trin, afisning, lufthavnsbesætninger sprøjter en varm opløsning af glycol og vand på et flys vinger. Dette smelter eksisterende is, men forhindrer lidt i at der dannes ny is. For at opnå dette kræver et anti-isningstrin og en anden type væske, som indeholder mere glykol og et ekstra tilsætningsstof for at få det til at klæbe til vingens overflade under start. Når et fly når sin cruishøjde, væsker bliver mindre effektive i kampen mod frossen nedbør. Jetpiloter løser problemet ved at aflede noget varme fra motorerne til rør i vingerne. Piloter af propeldrevne fly er afhængige af gummistøvler, der pustes op og tømmes for at banke is fra vingerne og halen.
Men hvad nu hvis du kunne bygge et fly med en overflade så glat, at der ikke dannes is i første omgang? Flere typer nanoteknologi kan snart gøre dette til en realitet. Forskere fra GE Global Research har udviklet en nanotekstureret, superhydrofobisk (eller vandafvisende) belægning, der dramatisk reducerer isadhæsion på vingeflader. Og et team ved North Carolina State University eksperimenterer med en nonstick -polymer, der fungerer sammen med et elastisk substrat. Polymeren påføres på substratet, når det elastiske materiale strækkes lidt. Når spændingen lindres, substratet trækker polymermolekylerne sammen til en superdens konfiguration. Flyvinger belagt med de friktionsfrie polymerer modstår at blive belagt med noget-endda is.
Det er usandsynligt, at graffitikunstnere vil blive vist på FBI's liste over ti mest eftersøgte flygtninge, men byer og kommuner tager denne særlige hærværk meget alvorligt. Chicago brugte 4,1 millioner dollars i 2012 på sit anti-graffiti-program og, i 2011, fjernet 137, 459 eksemplarer af spraymalede kunstværker fra broer, bygninger og skilte [kilde:Novak]. I Los Angeles, problemet - og det nødvendige budget til at løse det - er endnu større. Det er mange penge og menneskelig magt, der kunne rettes til andre sociale tjenester og byprogrammer.
Besætninger til rengøring af graffiti bruger en række forskellige teknikker til at svampe bort ulovlige kunstværker-overmaling, kemisk fjernelse og kraftvask. Desværre, nogle af disse metoder kan give større øjne end selve hærværket. Indtast den graffiti-afvisende væg, som har et nonstick -materiale, der enten modstår malingsadhæsion eller gør fjernelse langt lettere, fordi malingen ikke interagerer med den beskyttede overflade. Forskere har udformet et sådant materiale til at efterligne bladene på lotusblomsten. Overfladen af disse blade bærer et indviklet udvalg af mikroskopiske kamme belagt med voks. Rygene fanger luft mellem dem og, som resultat, vand, der falder ned på bladet, danner individuelle dråber, der simpelthen ruller af. En væg eller skilt belagt med et sådant materiale - en nanostruktur bygget i laboratoriet, men inspireret af naturen - ville foliere graffitikunstnere og sandsynligvis gøre byborgmestre meget, meget glad.
Nogle mennesker elsker at vaske deres biler, men mange mennesker ville sætte pris på at have det friske fra showroom-looket uden al den indsats. Og glem ikke miljøpåvirkningen af bilvask, som dræner vandreserver og spilder forurenende stoffer i truede vådområder. Hvis bare vores biler ville rense sig selv.
Tak til nogle forskere ved Eindhoven University of Technology i Holland, vi kan være tættere på en evigt poleret Prius. Forskerne opfandt ikke en helt ny nanoteknologi. I stedet, de tog et eksisterende vandtæt produkt, allerede i brug på nogle køretøjer, og gjorde det bedre. Den originale belægning fungerede, fordi den kom indlejret med nanokapsler i overfladen. Disse små kapsler både frastødte vand og indeholdt rengøringsmidler eller malingsdråber, så når de blev sprængt, sige med en nøgle -ridse, de frigav deres indhold og "helbredte" skavanken. Desværre, kapslerne havde en begrænset holdbarhed. For at udvide belægningens selvrensende/helbredende egenskaber, de hollandske forskere har redesignet sin nanostruktur, så kapslerne ligger på stilke. Når en kapsel/stilkkombination bliver forstyrret, en anden underliggende stilk stiger op og orienterer sig ved overfladen for at genoprette fabriksfinishen.
Biler bevæbnet med denne nye belægning vil kræve lidt mere end en god regn for at vaske snavs og snavs væk. Og fugleskit sprøjtede ud over din dør eller hætte kan være en saga blottet.
Detailhandlere er ikke de eneste, der ser frem til dagen efter Thanksgiving. Tilsyneladende, blikkenslagere elsker også Black Friday, hvilken, ifølge mindst én kilde, er prime time for tilstoppede rør i badeværelset og køkkenet [kilde:Henkenius]. Selvom det særegne forhold virker lidt mystisk (selvom vi er sikre på, at onkel Fred har noget at gøre med det), Træskoens hvordan og hvorfor har været kendt i årevis. De begynder, når en lille mængde affald klæber til indersiden af et rør og fungerer derefter som en kerne, hvorpå andet materiale samler sig. For eksempel, hvis du tømmer fedt i køkkenvasken, fedt klæber til siderne af røret og madpartikler klæber til fedtet. Efterhånden som forhindringen vokser med tiden, vand bakker op bag blokeringen.
I fremtidens hus, alle rør vil være foret med en friktionsfri belægning. Dette forhindrer snavs i at klæbe fast og bør gøre træsko praktisk talt ikke -eksisterende. Mange kommercielle virksomheder har allerede investeret i lignende teknologi. Kemiske producenter, for eksempel, almindeligt anvendt slange foret med polytetrafluorethylen, eller PTFE. Du genkender måske PTFE ved det mere almindelige mærke - Teflon, det samme materiale dækker dine nonstick gryder og pander. Når det bruges i rør og slanger, PTFE forhindrer tilsmudsning og træsko. Det minimerer også væskemodstand, hvilket gør fremstillingsmiljøer meget mere effektive.
Indtil du kan få teflonforede rør i dit hus, det kan være bedst at sende onkel Fred pakning. Eller lagre på stempler og kemiske afløbsrensere.
Medmindre du ejer et søfartøjsfartøj, du mister sandsynligvis ikke meget søvn over spiserør. Men for flåder, lystbådehavne og kommercielle fiskerbåde, det er en alvorlig bekymring. En undersøgelse fra 2011 foretaget af forskere ved United States Naval Academy fandt det bioforurening - det er det smarte udtryk, der bruges til at beskrive, hvad der sker, når de små saltvands krebsdyr klæber til et skrog eller en propel og reducerer fartøjets effektivitet- koster flåden 56 millioner dollars om året eller 1 milliard dollar over 15 år [kilde:Schultz]. Og det er kun for en klasse skibe-Arleigh Burke-klassen guidede missil destroyere.
De fleste af disse omkostninger involverer en rengørings- og malerproces, der har eksisteret i århundreder. Først, skibet er placeret i tørdok, derefter skraber arbejdere stænglerne fra skroget og propelblade. Endelig, de behandler udsatte overflader med maling, der indeholder tin eller kobber. Metallerne i malingen er giftige for larver, forhindre dem i at slå sig ned og finde et permanent hjem. Men malingen slides med tiden, hvilket betyder, at skibe skal rengøres gentagne gange i løbet af deres levetid.
Heldigvis forskere har fundet, hvad der kan være en bedre tilgang. Efter at have lært, at havfisk foretrækker glatte overflader, de skabte et mikrotekstureret materiale indeholdende bittesmå toppe og dale i størrelse fra 1 til 100 mikrometer. Derefter udsatte de materialet for havfuglefyldt havvand for at måle, hvor meget vedhæftning der fandt sted. De fandt ud af, at når topografien af overfladestruktur forblev i området 30 til 45 mikrometer, barnacle bosættelse og fastgørelse blev reduceret med 92 procent i forhold til glatte overflader [kilde:Berntsson]. Forskningen kan føre til den første nonstick, fremtidens skæbnehuggende skib.
Hvis du er en tyggegummi elsker, især en der bor i betonjunglen i enhver større by, tyg på dette:Hver gang du spytter et stykke af de klæbrige ting på jorden, du ender med at betale for det i form af højere skatter. Det er rigtigt, at skrabe kasseret tyggegummi fra fortove og gader kræver kemikalier, damprensere, strømskiver og operatører til at udføre det beskidte arbejde. I Charleston, S.C., byen bruger 200 dollars om måneden bare på at holde tre nyttepæle i bymarkedet i bydelen fri for egensindige vand. Og i Ocean City, Md., to medarbejdere i byen bruger tre uger hvert efterår på at rydde fortovene i et område på 14 blokke nær strandpromenaden [kilde:Bryant]. Det er ikke et nyt problem, enten. I 1939, som en del af borgmester La Guardias kampagne mod tyggegummi, mere end 20, 000 klumper af klæbrige ting blev fjernet fra et sted på Times Square [kilde:Stead].
Et britisk-baseret polymerfirma-Revolymer-arbejder på at gøre netop dette problem til fortiden. Dens forskere har skabt et revolutionerende tyggegummi, Rev7, der let kan fjernes fra en række overflader, herunder asfalterede fortove, tæpper, tekstiler og tøj. For at give Rev7 dens nonstick -egenskaber, virksomheden tilføjer et kemikalie til tyggegummibasen, der både er hydrofilt (vandelskende) og hydrofobt (vandhader eller olieelskende). Polymerens affinitet for olie gør tandkødet blødt og smidigt, men dets tiltrækning til vand betyder, at tyggegummiet altid har en vandfilm omkring sig, også når det ikke er i nogens mund. Det er denne vandfilm, der tillader nogen at skrælle Rev7 væk fra enhver overflade.
Ikke at dette giver dig en undskyldning for at spytte din tyggegummi ud hvor som helst og når du vil. Frøken Manners foreslår, at alt tyggegummi, selv den gnidningsfrie type, skal bortskaffes korrekt.
Vil du svømme som en haj? Så skal du have hud som en haj. Det virker umuligt, men hvis du tager et højteknologisk bodysuit på, ligesom LZR Racer fra Speedo, så er du et skridt nærmere. Dragten bruger polyurethanpaneler til at fange luft og komprimere kroppen for at øge opdriftsdragten og reducere træk. Men det er kun begyndelsen. Stoffet på LZR Racer er belagt med hydrofobe nanopartikler, der faktisk afviser vand og reducerer friktion langs svømmerens krop. Efter at sådanne bodysuits blev introduceret lige før OL i Sydney i Sydney, Australien, konkurrencedygtige svømmere slog mange verdensrekorder, fører til deres eventuelle forbud ved OL i London 2012 [kilde:Dorey].
Til sidst, endnu bedre dragter kan være mulige - og de kan mere og mere ligne rigtige hajskæl, som er ribbet med langsgående riller. Denne ru overflade reducerer hvirveldannelse langs kroppen af en svømmehaj, lad dem glide gennem vandet som et næsten gnidningsfrit missil. Speedo fortsætter med at eksperimentere med hajinspirerede teksturer for at fremme designet af sine badetøj, selvom olympiske atleter aldrig kommer til at bære dem i konkurrence. Det skulle ikke stoppe dig, imidlertid, fra at glide ind i en anden hud og blæse konkurrencen i den lokale pulje væk.
Husk Clark W. Griswold fra National Lampoons "juleferie":"Dette er den nye ikke-kalorieindhold, siliciumbaseret køkkensmøremiddel, som mit firma har arbejdet på. Det skaber en overflade 500 gange mere glat end nogen madolie. "Clark gnider smøremidlet på sin tallerken-slæde og fortsætter med at raket ned ad en snedækket bakke som en prat ud af helvede. Vi ledte efter lignende, omend lidt mindre skør, løsninger til at afrunde denne artikel.
Sidste artikelSådan fungerer millimeterbølgescannere
Næste artikelHvorfor er tegninger blå?