Тварини і рослини захистилися від зливи наночастинками воску і мікробугорками
Коли крапля води швидко падає на крило комахи, перо птиці або лист рослини, виникають ударні хвилі, за рахунок яких вона швидко розбивається на багато дрібних крапельок.
Про це повідомляється в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Це зменшує час контакту рідини з поверхнею і знижує збиток, який волога могла завдати організму. У попередніх дослідженнях оцінювали, як крила комах і подібні поверхні взаємодіють з більш повільними краплями.
Для тих, хто не може перечекати дощ в теплому будинку, як люди, це погодне явище часом становить небезпеку. Якщо тварина намокне, воно почне стрімко охолоджуватися і може замерзнути. А дрібні організми, наприклад комах, дощ може і зовсім збити на землю. Щоб захиститися від падаючої з неба води, тварини розвинули різноманітні модифікації покривів тіла: мікроскопічні лусочки або нерегулярні виступи на них відштовхують воду.
Механізми забезпечення гідрофобності у живих організмів зазвичай вивчають, кидаючи на них краплі з невеликої висоти. Але в природі дощ може бути стрімким і сильним, і в такому випадку швидкість падіння крапель буде набагато вище експериментальної — до 10 метрів в секунду. Для метелика силу від удару такою краплею по крилу можна порівняти з силою, з якою куля для боулінгу вдарив би людину, падаючи з неба. Як з такими дощами справляються покриви тіла тварин, було не дуже зрозуміло.
Співробітники Корнелльського університету під керівництвом Кіма Синхо (Seungho Kim) визначили, що відбувається при швидкому падінні крапель на поверхні листя рослин (Cercidiphyllum japonicum), пір'я птахів, а також крил різних метеликів і бабок. Зразки поверхонь отримали з університетських музейних колекцій і з найближчої посадки (у випадку рослини). Воду на них лили з висоти двох метрів (краплі мали радіус від 1,1 до 2 міліметрів) і знімали на високошвидкісні камери.
Виявилося, що коли крапля води швидко (зі швидкістю 3,8 метра в секунду і більше) падає на надгідрофобне крило, перо або лист, з'являються ударні хвилі, вона розбивається об поверхню і перетворюється в істотно більш дрібні краплі. Краплі, чия швидкість не перевищувала 0,9 метрів в секунду, так не дробилися.
Подрібнення крапель скорочує час контакту води з поверхнею, за рахунок чого втрачається менше тепла і знижується сила удару. Мабуть, мікроскопічні виступи на поверхні діють на краплі як голки на повітряну кулю, а завдяки наночастинкам воску залишки води швидко скочуються з крила, листа або пера.
Користуючись отриманими даними, дослідники створили кілька штучних надгідрофобних матеріалів, Об які швидко падаючі краплі теж розбивалися. Однак вони поки гірше біологічних, так як не здатні самостійно відновлюватися. Організми постійно оновлюють свої покриви, за рахунок чого їх надгідрофобні поверхні служать дуже довго. Як відновлювати мікро - і наноструктуру надгідрофобних матеріалів без допомоги живих клітин, поки незрозуміло.
Біологічні структури нерідко дають інженерам ідеї для створення нових пристроїв і матеріалів. Так, надихнувшись будовою поверхні крил метелика Pachliopta aristolochiae, вчені з Німеччини і США створили матеріал, що підвищує ефективність поглинання світла сонячними батареями.
Також читайте: