Wetenschap
"Veronderstel een volledig wrijvingsloos oppervlak." Hoe vaak hebben we die uitspraak niet gezien in onze natuurkundeles op de middelbare school? En hoe vaak hebben we ons afgevraagd waarom onze leraren zo graag wilden dat we in een fantasiewereld leefden? Nutsvoorzieningen, dankzij een groep wetenschappers die bekend staat als tribologen , het vooruitzicht om wrijving tussen twee op elkaar inwerkende oppervlakken te elimineren, wordt snel realiteit.
Het wordt op interessante manieren gedaan, te. Bijvoorbeeld, een team van onderzoekers van de Harvard University bestudeerde de bladeren van de vleesetende bekerplant, met microscopisch kleine richels die een laag vloeibare nectar ertussen vangen. Het oppervlak is zo glad dat insecten die op de bladeren landen, eraf glijden en in diepe, kruikvormige zakjes, waar enzymen ze opslokken. Terug in het laboratorium, de onderzoekers dupliceerden de gladde helling van de bekerplant door een willekeurig netwerk van waterafstotende nanoposten en met Teflon gecoate nanovezels te creëren en ze vervolgens te weken in een fluorrijke vloeistof. De vloeistof vormde een laag tussen de nanostructuren, voorkomen dat water en andere materialen ertussen stromen en een bijna antiaanbaklaag creëren.
Wat kunnen wrijvingsloze oppervlakken voor u doen? We zullen, we hebben allemaal een paar eieren omgedraaid in koekenpannen met anti-aanbaklaag, maar dat is slechts het topje van een supergladde ijsberg.
InhoudBiofilms -- Wandtapijten van microben zoals bacteriën of schimmels die groeien op een vast substraat -- veroorzaken veel problemen voor zorgverleners. Volgens de National Institutes of Health, biofilmvorming is verantwoordelijk voor 65 procent van alle menselijke microbiële infecties [bron:Ames]. Je zou kunnen denken dat veeleisende reiniging het antwoord is op het probleem, maar biofilms zijn hardnekkig bestand tegen schrobben. Ze hebben ook de neiging om de effecten van antibiotica van zich af te schudden. De betere oplossing is in de eerste plaats voorkomen dat bacteriën zich aan een substraat hechten. Hallo, wrijvingsloos oppervlak!
Een biofilm begint zijn leven wanneer een paar zorgeloze micro-organismen langs een aanrecht of chirurgisch instrument cruisen en blijven plakken, hetzij door middel van lijmachtige adhesiemoleculen of structuren die bekend staan als pili . Eenmaal bevestigd, deze kleine groep cellen scheidt een extracellulaire polymere stof , of EPS , dat werkt als cement om de cellen - en hun nageslacht - permanent op hun plaats te houden. Maar als u het bijlageproces kunt onderbreken, je kunt voorkomen dat de biofilm zich vormt.
Dat is precies wat een team van wetenschappers van de Universiteit van Nottingham in het VK heeft gedaan. Door laboratoriumoppervlakken en medische hulpmiddelen zoals katheters te coaten met een acrylaatpolymeer vergelijkbaar met die gebruikt in de kunststofindustrie, de onderzoekers konden voorkomen dat pioniers van bacteriën een voet aan de grond kregen. Het resultaat:ze vonden een vermindering van 97 procent in de dekking van de Staphylococcus aureus bacterie [bron:Ames].
In de jaren zeventig, Heinz bouwde een hele reclamecampagne rond zijn superdikke, wrijvingsvriendelijke ketchup. De campagne leende Carly Simon's hit "Anticipation" en prees de deugden van een "smaak die het wachten waard is".
Blijkbaar, de foodservice-industrie vindt het afval het wachten niet waard. Ketchup, mosterd, mayonaise en barbecuesaus die niet uit flessen kunnen worden gehaald, betekenen verloren inkomsten voor restauranteigenaren en gezinnen die proberen hun boodschappenbudget te vergroten. Ongeveer 1 miljoen pond (453, Wereldwijd wordt jaarlijks 592 kilogram aan vastgeplakte sauzen en dressings weggegooid, volgens de Varanasi Research Group, een team van werktuigbouwkundigen en nanotechnologen van het Massachusetts Institute of Technology. Dan is er nog de kwestie van de grote dop die nodig is om specerijen uit knijpflessen te krijgen. Het elimineren van de noodzaak van zo'n grote dop zou verminderen hoeveel plastic er in een enkele fles gaat, die 25 kon houden, 000 ton op aardolie gebaseerde producten per jaar uit de afvalstroom [bron:LiquiGlide].
Hetzelfde kruidachtige MIT-team heeft een oplossing:bedek de binnenkant van flessen met een uniek materiaal dat ketchup voorkomt, mayonaise of een ander soort saus blijft plakken aan het oppervlak. De meeste vergelijkbare coatings bevatten nanosmeermiddelen die u misschien niet wilt inslikken, maar de Cambridge-mensen ontwikkelden een voedselveilig materiaal waarvan ze zeggen dat het volledig smaakloos en niet-toxisch is. Ze noemen het LiquiGlide en beschrijf het als een "gestructureerde vloeistof" -- stijf als een vaste stof, maar zo glad als een vloeistof. Smeer de binnenkant van een kruidenflesje in met LiquiGlide, en de inhoud glijdt eruit als, goed, poep van een gans.
Ingenieurs zijn al meer dan 200 jaar geobsedeerd door het ontwerpen van onderzeeërs, maar ze zijn niet in staat geweest om een van de meest irritante problemen op te lossen -- wrijvingsweerstand , een kracht die voorwaartse beweging tegenwerkt als water aan het oppervlak van de buitenromp blijft kleven. Volgens sommige schattingen deze "huidwrijving" is goed voor ongeveer 65 procent van de weerstand op onderzeeërs [bron:Pike].
Een oplossing? Een polymeer uitwerpsysteem. In een dergelijk systeem, polymeer wordt opgeslagen in een tank en vervolgens door een reeks poorten uitgeworpen terwijl de onderzeeër beweegt. Het polymeer stroomt over het oppervlak en vermindert de interactie van watermoleculen met het oppervlak. Helaas, het systeem verhoogt ook het gewicht van het vaartuig.
Nu hebben wetenschappers misschien een betere truc:onderzeeërs bekleden met een antiaanbaklaag gemaakt van een revolutionaire nanotechnologie. Het materiaal ziet er met het blote oog niet bijzonder bijzonder uit. Maar als je het onder een microscoop bekijkt, je ziet dat het minuscule naalden bevat die slechts een paar miljoenste van een meter van elkaar verwijderd zijn. De naalden rusten, als een laag gras, op een oppervlak van teflon. Wanneer water het materiaal raakt, het komt in aanraking met lucht die vastzit in de ruimtes tussen de naalden. En dit maakt het materiaal extreem glad - 99 procent minder plakkerig dan een normaal Teflon-oppervlak zonder de naalden van nanoformaat [bron:BBC News].
Onderzeeërs gecoat met nanotechnologie zouden veel minder wrijvingsweerstand hebben en zouden minder brandstof nodig hebben om ze voort te stuwen. En, ja, een regenjas van hetzelfde materiaal zou je veel beter beschermen dan de duurste London Fog trenchcoat.
Vliegtuigvleugels bieden een aanzienlijke hoeveelheid lift - zolang ze hun fabrieksvorm behouden. Bedek een vleugel zelfs met een dun laagje sneeuw of ijs, echter, en je verstoort zijn vermogen om een vliegtuig in de lucht te houden. In feite, volgens sommige schattingen, ijsvorming kan de lift met maar liefst 25 procent verminderen, daarom maken grond- en vliegtuigbemanningen zich zoveel zorgen over ijsvrij maken tijdens vliegreizen in de winter [bron:Kaydee].
De beproefde methode om ijs te verwijderen omvat een strategie in drie stappen. Tijdens de eerste stap, ontdooien, grondpersoneel van luchthavens spuiten een hete oplossing van glycol en water op de vleugels van een vliegtuig. Dit smelt bestaand ijs, maar doet weinig om de vorming van nieuw ijs te voorkomen. Om dit te bereiken is een anti-ijsvormingsstap en een tweede type vloeistof nodig, die meer glycol en een extra additief bevat om het tijdens het opstijgen aan het vleugeloppervlak te laten kleven. Zodra een vliegtuig zijn kruishoogte heeft bereikt, vloeistoffen worden minder effectief in de strijd tegen bevroren neerslag. Straaljagerpiloten lossen het probleem op door wat warmte van de motoren af te leiden naar leidingen in de vleugels. Piloten van propellervliegtuigen vertrouwen op rubberen laarzen die opblazen en leeglopen om ijs van de vleugels en staart te slaan.
Maar wat als je een vliegtuig zou kunnen bouwen met een oppervlak dat zo glad is dat er in de eerste plaats geen ijs kan worden gevormd? Verschillende soorten nanotechnologie kunnen dit binnenkort mogelijk maken. Wetenschappers van GE Global Research hebben een nanogestructureerde, superhydrofobe (of waterafstotende) coating die de ijsaanhechting op vleugeloppervlakken drastisch vermindert. En een team van de North Carolina State University experimenteert met een non-stick polymeer dat samenwerkt met een elastisch substraat. Het polymeer wordt op het substraat aangebracht wanneer het elastische materiaal enigszins wordt uitgerekt. Als de spanning weg is, het substraat trekt de polymeermoleculen samen tot een superdichte configuratie. Vliegtuigvleugels gecoat met de wrijvingsvrije polymeren zijn bestand tegen alles - zelfs ijs.
Het is onwaarschijnlijk dat graffitikunstenaars op de lijst van tien meest gezochte voortvluchtigen van de FBI zullen verschijnen, maar steden en gemeenten nemen dit soort vandalisme zeer serieus. Chicago heeft in 2012 $ 4,1 miljoen uitgegeven aan zijn anti-graffitiprogramma en, in 2011, verwijderd 137, 459 gevallen van gespoten kunstwerken van bruggen, gebouwen en borden [bron:Novak]. In Los Angeles, het probleem - en het benodigde budget om het aan te pakken - is nog groter. Dat is veel geld en mankracht die aan andere sociale diensten en stadsprogramma's kunnen worden besteed.
Graffiti-reinigingsploegen gebruiken een verscheidenheid aan technieken om illegale kunstwerken weg te sponzen - overschilderen, chemische verwijdering en macht wassen. Helaas, sommige van deze methoden kunnen een grotere doorn in het oog veroorzaken dan het vandalisme zelf. Betreed de graffiti-afstotende muur, dat is voorzien van een anti-aanbakmateriaal dat de hechting van de verf weerstaat of het verwijderen veel gemakkelijker maakt omdat de verf geen interactie aangaat met het beschermde oppervlak. Wetenschappers hebben zo'n materiaal gemaakt om de bladeren van de lotusbloem na te bootsen. Het oppervlak van deze bladeren draagt een ingewikkelde reeks microscopisch kleine richels bedekt met was. De richels houden lucht tussen hen vast en, als resultaat, water dat op het blad valt, vormt individuele druppeltjes die er gewoon afrollen. Een muur of bord gecoat met zo'n materiaal - een nanostructuur gebouwd in het laboratorium maar geïnspireerd door de natuur - zou graffitikunstenaars verijdelen en waarschijnlijk stadsburgemeesters erg, heel gelukkig.
Sommige mensen houden ervan om hun auto te wassen, maar veel mensen zouden het op prijs stellen als ze er zo vers uit de showroom uitzagen zonder alle moeite. En vergeet de milieu-impact van autowassen niet, die waterreserves afvoert en verontreinigende stoffen morst in bedreigde wetlands. Als onze auto's zichzelf maar zouden schoonmaken.
Dankzij enkele onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland, we kunnen dichter bij een eeuwig gepolijste Prius zijn. De wetenschappers hebben geen gloednieuwe nanotechnologie uitgevonden. In plaats daarvan, ze namen een bestaand waterbestendig product, al in gebruik op sommige voertuigen, en maakte het beter. De originele coating werkte omdat deze was ingebed met nanocapsules in het oppervlak. Die kleine capsules stootten zowel water af als reinigingsmiddelen of verfdruppels, zodat wanneer ze scheurden, laten we zeggen door een sleutelkras, ze lieten hun inhoud los en 'genezen' de vlek. Helaas, de capsules waren beperkt houdbaar. Om de zelfreinigende/herstellende eigenschappen van de coating te vergroten, de Nederlandse wetenschappers hebben de nanostructuur opnieuw ontworpen, zodat de capsules op stengels blijven zitten. Wanneer één capsule/steel combinatie verstoord raakt, een andere onderliggende stengel komt omhoog en oriënteert zich naar het oppervlak om de fabrieksafwerking te herstellen.
Auto's die met deze nieuwe coating zijn uitgerust, hebben niet veel meer nodig dan een flinke regenbui om vuil en roet weg te spoelen. En vogelpoep die over uw deur of motorkap spat, behoort tot het verleden.
Winkeliers zijn niet de enige mensen die uitkijken naar de dag na Thanksgiving. Blijkbaar, loodgieters houden ook van Black Friday, die, volgens ten minste één bron, is prime time voor verstopte leidingen in de badkamer en keuken [bron:Henkenius]. Hoewel die eigenaardige relatie een beetje mysterieus lijkt (hoewel we zeker weten dat oom Fred er iets mee te maken heeft), het hoe en waarom van klompen is al jaren bekend. Ze beginnen wanneer een kleine hoeveelheid puin zich aan de binnenkant van een pijp vastklampt en vervolgens fungeert als een kern waarop ander materiaal zich verzamelt. Bijvoorbeeld, als je vet in de gootsteen gooit, vet plakt aan de zijkanten van de pijp en voedseldeeltjes plakken aan het vet. Naarmate de obstructie in de loop van de tijd groeit, het water loopt achter de verstopping terug.
In het huis van de toekomst, alle leidingen zullen worden bekleed met een wrijvingsloze coating. Dit voorkomt dat vuil blijft plakken en zou klompen praktisch niet meer moeten maken. Veel commerciële ondernemingen hebben al in soortgelijke technologie geïnvesteerd. Chemische fabrikanten, bijvoorbeeld, vaak gebruik buizen bekleed met polytetrafluorethyleen, of PTFE. U herkent PTFE misschien aan de meer gebruikelijke merknaam - Teflon, hetzelfde materiaal dat uw potten en pannen met antiaanbaklaag bedekt. Bij gebruik in leidingen en buizen, PTFE voorkomt vervuiling en verstoppingen. Het minimaliseert ook de vloeistofweerstand, waardoor productieomgevingen veel efficiënter worden.
Totdat je met teflon beklede buizen in huis kunt krijgen, het is misschien het beste om oom Fred in te pakken. Of sla plunjers en chemische ontstoppers in.
Tenzij u een zeevarend schip bezit, je zult waarschijnlijk niet veel slaap verliezen over zeepokken. Maar voor marines jachthavens en commerciële vissersboten, het is een serieuze zorg. Een studie uit 2011 uitgevoerd door onderzoekers van de United States Naval Academy ontdekte dat: biofouling - dat is de mooie term die wordt gebruikt om te beschrijven wat er gebeurt als de kleine zoutwaterschaaldieren zich aan een romp of propeller hechten en de efficiëntie van het schip verminderen - kost de marine $ 56 miljoen per jaar of $ 1 miljard over 15 jaar [bron:Schultz]. En dat is slechts voor één klasse schepen - de Arleigh Burke-klasse geleide raketvernietigers.
De meeste van die kosten hebben betrekking op een reinigings- en schilderproces dat al eeuwen bestaat. Eerst, het schip wordt in een droogdok geplaatst, dan schrapen arbeiders de zeepokken van de romp en de propellerbladen. Eindelijk, ze behandelen blootgestelde oppervlakken met verf die tin of koper bevat. De metalen in de verf zijn giftig voor zeepokkenlarven, voorkomen dat ze zich vestigen en een permanent huis vinden. Maar de verf slijt na verloop van tijd, wat betekent dat schepen tijdens hun leven herhaaldelijk moeten worden schoongemaakt.
Gelukkig, wetenschappers hebben gevonden wat misschien een betere aanpak is. Nadat ze hebben geleerd dat zeepokken de voorkeur geven aan gladde oppervlakken, ze creëerden een materiaal met microtextuur dat kleine pieken en dalen bevatte, variërend in grootte van 1 tot 100 micrometer. Vervolgens stelden ze het materiaal bloot aan met zeepokken gevuld zeewater om te meten hoeveel gehechtheid er plaatsvond. Ze ontdekten dat wanneer de topografie van de oppervlaktetextuur in het bereik van 30 tot 45 micrometer bleef, afzetting en aanhechting van zeepokken werd met 92 procent verminderd in vergelijking met gladde oppervlakken [bron:Berntsson]. Het onderzoek kan leiden tot de eerste anti-aanbaklaag, zeepokkenbrekend schip van de toekomst.
Als je een kauwgomliefhebber bent, vooral iemand die in de betonnen jungle van een grote stad woont, kauw hierop:elke keer dat je een stuk van het kleverige spul op de grond spuugt, je betaalt er uiteindelijk voor in de vorm van hogere belastingen. Klopt, het schrapen van afgedankte kauwgom van trottoirs en straten vereist chemicaliën, stoomreinigers, hogedrukreinigers en operators om het vuile werk te doen. In Charleston, SC, de stad geeft $ 200 per maand uit om drie elektriciteitspalen in het stadsmarktdistrict vrij te houden van eigenzinnige proppen. En in Oceaanstad, MD, twee stadsmedewerkers besteden elke herfst drie weken aan het schoonmaken van de trottoirs in een gebied van 14 blokken nabij de promenade [bron:Bryant]. Het is geen nieuw probleem, of. 1939, als onderdeel van de campagne van burgemeester La Guardia tegen kauwgom, meer dan 20, 000 proppen plakkerig spul werden van één plek op Times Square verwijderd [bron:Stead].
Een in het Verenigd Koninkrijk gevestigd polymeerbedrijf - Revolymer - werkt eraan om dit specifieke probleem tot het verleden te laten behoren. De wetenschappers hebben een revolutionaire kauwgom ontwikkeld, Rev7, die gemakkelijk kan worden verwijderd van een reeks oppervlakken, inclusief verharde trottoirs, tapijten, textiel en kleding. Om Rev7 zijn anti-aanbakeigenschappen te geven, het bedrijf voegt een chemische stof toe aan de gombasis die zowel hydrofiel (waterminnend) als hydrofoob (waterhatend of olieminnend) is. De affiniteit van het polymeer voor olie maakt de gom zacht en buigzaam, maar door zijn aantrekkingskracht op water heeft de kauwgom altijd een laagje water om zich heen, zelfs als het niet in iemands mond is. Door deze waterfilm kan iemand Rev7 van elk oppervlak afpellen.
Niet dat dit je een excuus geeft om je kauwgom uit te spugen waar en wanneer je maar wilt. Miss Manners suggereert dat alle kauwgom, zelfs het wrijvingsloze type, op de juiste manier moeten worden afgevoerd.
Wil je zwemmen als een haai? Dan moet je een huid hebben als een haai. Dat lijkt onmogelijk, maar als je een high-tech bodysuit aantrekt, zoals de LZR Racer van Speedo, dan ben je een stap dichterbij. Het pak maakt gebruik van polyurethaanpanelen om lucht vast te houden en het lichaam samen te drukken om het drijfvermogen te vergroten en de weerstand te verminderen. Maar dat is nog maar het begin. De stof van de LZR Racer is gecoat met hydrofobe nanodeeltjes die water afstoten en wrijving langs het lichaam van de zwemmer verminderen. Nadat dergelijke bodysuits vlak voor de Olympische Spelen van 2000 in Sydney werden geïntroduceerd, Australië, wedstrijdzwemmers gingen door met het breken van vele wereldrecords, wat leidde tot hun uiteindelijke verbod op de Olympische Spelen van 2012 in Londen [bron:Dorey].
Eventueel, er zijn misschien nog betere pakken mogelijk -- en ze kunnen meer en meer op echte haaienschubben gaan lijken, die zijn geribbeld met langsgroeven. Dit ruwe oppervlak vermindert de vorming van wervelingen langs het lichaam van een zwemmende haai, waardoor ze door het water kunnen glijden als een bijna wrijvingsloze raket. Speedo blijft experimenteren met op haaien geïnspireerde texturen om het ontwerp van zijn zwemkleding te verbeteren, zelfs als Olympische atleten ze nooit in competitie zullen dragen. Dat zou je niet moeten tegenhouden, echter, om in een tweede huid te glijden en de concurrentie in het plaatselijke zwembad omver te blazen.
Denk aan Clark W. Griswold van National Lampoon's "Christmas Vacation":"Dit is de nieuwe niet-calorische, keukensmeermiddel op siliconenbasis waar mijn bedrijf aan heeft gewerkt. Het creëert een oppervlak dat 500 keer gladder is dan welke bakolie dan ook.' Clark wrijft het smeermiddel op zijn schotelslee en schiet als een idioot van een besneeuwde heuvel af. We waren op zoek naar soortgelijke, zij het iets minder gek, oplossingen om dit artikel af te ronden.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com