В природе деревья перекачивают тонны воды от корней до самых макушек, иногда на десятки метров в высоту. И происходит это благодаря капиллярным силам. Но ученые научились «вызывать» те же способности и у плоского кусочка металла, причем так эффективно, что деревьям остается лишь позавидовать.
Железная салфетка: Металлы и капилляры
Стоит капнуть немного воды – и металл буквально «всасывает» ее

О новой технологии сообщили наши старые знакомые Чуньлэй Го (Chunlei Guo) и Анатолий Воробьев, которые с помощью мощного фемтосекундного лазера творят с металлами настоящие чудеса. Мы рассказывали о том, как они научились по желанию менять цвет металла («Алхимия XXI века») и делать обычные спиральные лампочки энергосберегающими («Чудеса в лампе»). Теперь ученые сотворили с металлом очередное чудо — и оно может открыть новую страницу в создании диагностического оборудования и химических анализаторов, кулеров для процессоров, или просто превратить почти любую металлическую поверхность в эффективную защиту от бактерий.

«Мы можем менять структуру поверхностных слоев практически любого куска металла, — радуется Чуньлэй Го, — таким образом, чтобы контролировать его взаимодействие с жидкостью. Мы можем сделать так, чтобы жидкость текла по нему, и сами выбирать направление этого течения».

Воздействие очень кратковременных импульсов мощного лазерного излучения приводит к коренной перестройке структуры поверхностных слоев металла. Фемтосекундный лазер действует буквально несколько квадриллионных долей секунды. При этом на металле можно получать самые разные образования, наноразмерные углубления, или выпуклости, или бороздки.

Процесс, в ходе которого вода «вопреки» силам гравитации поднимается по кусочку металла, весьма схож с тем, что происходит, когда мы собираем салфеткой пролитый на стол чай. Это — проявление капиллярного эффекта, связанного со смачиванием, взаимодействием молекул жидкости и твердого вещества.

Именно наноразмерные структуры, которые формируются в ходе лазерной обработки, меняют силу этого взаимодействия, причем делают это по желанию ученых. При определенных условиях сила притяжения молекул жидкости к металлической поверхности становится выше, чем друг к другу, и заставляет жидкость распределяться по ней как можно более тонким слоем — даже если это «противоречит» силам гравитации. А чем больше площадь поверхности, тем быстрее идет процесс испарения, так что металл, обработанный Го и Воробьевым, становится своеобразной «салфеткой».

Но если при обработки лазером создать на поверхности металла еще и крохотные канальца, то можно вдобавок контролировать направление, по которому жидкость будет распределяться. «Вообразите систему водных каналов, но уменьшенную до размеров миниатюрного металлического чипа, — говорит Го, — и мы получим возможности проводить химический или биологический анализ жидкости, имея на руках самые незначительные ее количества». Для анализа крови не понадобится выдавливать из пальца по пол-пробирки: едва заметной капли будет достаточно.

Таким же методом ученые научились добиваться и обратного эффекта: резкого снижения эффективности взаимодействия между молекулами воды и металла — то есть, создания гидрофобного («водоотталкивающего») эффекта. Это и позволяет сказать, что после определенной обработки лазером металлическая поверхность получает эффективные антибактериальные свойства, ведь подавляющему большинству бактерий требуется для жизни вода.

Пока что для такой обработки фрагмента металла площадью с монетку требуется более 30 минут обработки. Однако ученые уверены, что им удастся усовершенствовать технологию.

По пресс-релизу University of Rochester