En opvaskemaskine, der holder sig ren:hvordan lasere ændrer dagligdags ting

I den mindste skala, videnskab kan blive temmelig underligt. Så underligt faktisk, at metaller og andre materialer kan ændres for fuldstændigt at ændre deres egenskaber, såsom at gøre dem modstandsdygtige over for vand eller bakterier.

Dette er hjørnestenen i ny forskning, der ser på den skjulte verden af ​​overflader, med potentiale til at forbedre vores hverdag ved at lave opvaskemaskiner, der renser sig selv eller batterier, der holder længere.

Et vigtigt gennembrud, der har gjort dette muligt, er ultrakortpulslaseren. Indtil for 10 år siden havde denne teknologi været for dyr og ude af stand til at producere høj nok strøm til at forårsage interessante effekter, der kunne anvendes i industriel skala. Men det er nu blevet udviklet til et punkt, hvor forskere kan bruge det til at ændre strukturen på dagligdags genstande.

Elektroner

En ultrakort pulslaser er en laser, der affyrer regelmæssige stråler, der varer mindre end 10 picosekunder - eller 10 billioner sekunder af et sekund. Denne lille pulsvarighed er kort nok til, at den kan excitere elektroner på overfladen af ​​et metal og ændre dets egenskaber, før energien omdannes til varme, når elektronerne slapper af, "eller vende tilbage til en stabil tilstand, mellem hver puls.

"Så hvad der sker er, at du har mange meget spændte elektroner, der rejser rundt på stedet, og så slapper de alle af, og det er konverteret til varme i et hit, "sagde Dr. Adrian Lutey, en maskiningeniør og stipendiat ved University of Parma i Italien, der arbejder på et projekt kaldet TresClean. "Og du kan provokere nogle meget interessante ændringer på denne måde."

TresClean ser på måder, hvorpå ultrakorte pulslasere kan forbedre en række brancher, især fødevareindustrien og hvidevarer - såsom opvaskemaskiner og vaskemaskiner - og undersøge grænserne for, hvad der kan være muligt.

Teamet undersøger, hvordan metaloverflader kan gøres modstandsdygtige over for vand ved hjælp af lasere, herunder en af ​​verdens mest kraftfulde ultrakorte pulslasere ved universitetet i Stuttgart i Tyskland, med en gennemsnitlig effekt på et kilowatt. Laserne skaber små nanogrooves på metalets overflade, og ved at fange luftbobler, dette stopper vand, der klæber til overfladen. Denne ru overflade har en lignende effekt som et lotusblad, som har en overfladekemi, der forhindrer vand i at klistre.

Antibakteriel

Ved hjælp af denne teknik, det er muligt at skabe væskeafvisende antibakterielle overflader. Bakterier trives i vand, så rør og andet udstyr skal rengøres regelmæssigt for at forhindre enhver form for opbygning-en proces, der tager både betydelig tid og penge. Men hvis overfladen aldrig voksede bakterier i første omgang, dette problem kunne udryddes.

"En analog er en negleseng, bakteriecellerne ikke har nogen steder, de kan knytte sig til, "sagde Dr. Lutey." At bruge laserteksturering til at producere et antibakterielt svar er banebrydende. "

Indtil videre har resultaterne været lovende, med teamet, der udgav en række forskningsartikler om, hvor effektiv teknikken kan være. De håber, at dette kan have en række ansøgninger, for eksempel i fødevareemballagebranchen, hvor mælk og andre flydende fødevarer transporteres med maskiner. Dette skal rengøres hvert par timer med stærke rengøringsmidler.

"Hvis vi kan reducere den nødvendige rengøring, vi kan reducere nedetid, og vi kan reducere enhver risiko for kontaminering, hvor rengøringsmidler ender i maden, "sagde Dr. Lutey.

Tilsvarende i opvaskemaskiner og vaskemaskiner, dette kan forhindre, at der dannes en biofilm - en gruppe bakterier inde i maskinen, hvilket kan få en opvaskemaskine til at lugte, når bakterier flyder rundt. Med laserbehandlede overflader, disse produkter kunne bruge mindre vand og også blive mindre snavsede.

Laserteknikker kunne anvendes andre steder. For eksempel, både har et fælles problem med at håndtere en biofilm 'slim' på deres skrog, hvor bakterier er vokset. Men hvis bådens skrog kunne gøres modstandsdygtigt over for vand, så ville bakterierne ikke have nogen steder at gribe fat.

Batterier

Mennesker, der har implantater eller kører elbiler, kan også drage fordel af disse teknikker. Et projekt kaldet Laser4Surf bruger ultrakorte laserpulser på en række områder fra batteriproduktion til medicin.

"Ideen bag dette projekt er at udvikle prototyper, der kan få forskellige egenskaber i metalliske overflader, "sagde projektkoordinator Dr. Ainara Rodriguez fra Ceit-IK4 forskningscenter i Spanien.

Hun og et team af forskere udvikler prototyper, der bruger mere end 800, 000 laserpulser til opvarmning af materiale op til 6, 000 ° C, som er varmere end solens overflade. Dette sublimerer materialet, ændre det fra et fast stof til en gas, og tillader dens egenskaber at blive ændret.

"Det, vi gør, er at bestråle (varme op) materialets struktur med ultrahurtige laserpulser, som kan øge vedhæftningen af ​​materialet, dets hydrofobicitet (evnen til at afvise vand), eller farven på selve metallet, sagde Dr. Rodriguez.

Ved at bruge lasere til at øge overfladearealet på batterier og forhindre overophedning, holdet håber at øge deres livscyklus med 30%, og deres kapacitet med op til 60%. Dette skaber muligheder i fremtiden for at skabe batterier til elbiler, der oplades hurtigere og holder længere. I medicin, laserteksturisering bør gøre bindingen mellem menneskelig knogle og implantat 80% stærkere.

Afgørende for denne forsknings fremskridt vil være at bevise, at denne teknologi kan avanceres fra laboratoriemiljøet til industrien. I juli i år, teamet håber at have udviklet forskellige prototyper, der kan teste nogle af deres ideer, inden derefter ser på, hvordan dette kan skaleres op til mere udbredt brug.