Znajdź zawartość

Najbardziej obfitym i najłatwiej dostępnym źródłem odnawialnej energii jest Słońce. Jednak dotychczas, by wykorzystać jego potencjał, konieczne jest wykonanie wielu kroków pośrednich, które w efekcie pozwolą np. napędzać maszynę dzięki energii pozyskanej z naszej gwiazdy. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley stworzyli proste, wodne maszyny napędzane bezpośrednio przez Słońce. Teoretycznie można je skalować tak, by otrzymać pompy generujące energię. "Słoneczne maszyny" działają dzięki zjawisku napięcia powierzchniowego. Molekuły wody silnie na siebie oddziałują i, jak się okazało, można to oddziaływanie wykorzystać do poruszania obiektów po powierzchni wody. Urządzenia z Berkeley to kawałki przezroczystego plastiku, którego najdłuższa krawędź ma około centymetra. Pokryto je paskami ułożonych wertykalnie węglowych nanorurek. Jeśli teraz na taką maszynę pada światło Słońca, nanorurki się podgrzewają i ogrzewają wodę wokół. To zmniejsza napięcie powierzchniowe z jednej strony kawałka plastiku, który w efekcie jest odpychany od miejsca o niższym napięciu. Prace nad poruszanymi światłem słonecznym maszynami prowadzili Alex Zettl, profesor fizyki materii skondensowanej oraz profesor chemii i inżynierii chemicznej Jean M. J. Frechet. Profesor Zettl mówi, że warto je kontynuować, gdyż siły napięcia powierzchniowego są bardzo duże, a więc być może uda się je wykorzystać. Uczeni zademonstrowali dwie maszyny. Pierwsza z nich to łódka z nanorurkami przylepionymi z tyłu. Po oświetleniu nanorurek płynęła ona do przodu. Maksymalne prędkość łódki o długości 1 cm wynosiła 8 centymetrów na sekundę. Druga z maszyn to prosty wirnik. Do każdego z jego czterech skrzydeł przymocowano z jednej strony nanorurki. Po wystawieniu na działanie światła słonecznego kręcił się on z prędkością około 70 obrotów na minutę. Zettl i Frechet rozpoczęli swoje eksperymenty od małych obiektów, ponieważ poruszanie ich po wodzie stanowi poważne wyzwanie. W tej skali występujące turbulencje stanowią poważną przeszkodę. Ponadto w nanoskali napięcie powierzchniowe działa silniej niż grawitacja. Obaj uczeni mają nadzieję, że ich prace przyczynią się do powstanie przydatnych w medycynie miniaturowych urządzeń napędzanych laserem i korzystających z napięcia powierzchniowego płynów ustrojowych. Chcieliby też stworzyć nanowirniki do generatorów energii elektrycznej. Planują również wybudowanie dużej łodzi, która, po umieszczeniu z tyłu soczewek i nanorurek, byłaby napędzana Słońcem. Dean Alhorn, pracujący w NASA nad napędzanym słońcem satelitą NanoSail-D chwali prace swoich kolegów. Zauważa jednak, że muszą jeszcze dowieść, iż siła Słońca i napięcia powierzchniowego jest na tyle duża, by np. pokonać fale na otwartym akwenie.

Parzenie herbaty wydaje się zwykłą codzienną czynnością, jednak i wtedy może dochodzić do ważnych naukowych odkryć. Przygotowując napar z ostrokrzewu paragwajskiego (yerba mate), zespół prof. Ernesta Althsulera z Uniwersytetu w Hawanie odkrył proces odpowiadający za napływ liści do czajnika, z którego nalewa się wodę. Susz nie zostaje wpompowany, za jego poruszaniem się pod prąd musi więc stać coś innego. Yerba mate przygotowuje się, wlewając do naczynia (mate lub guampa) ostudzoną wodę. Liście i łodyżki unoszą się zazwyczaj na powierzchni, jednak część przemieszcza się pod prąd i trafia do czajnika. Gdy Kubańczycy powtórzyli czynności z wykorzystaniem sproszkowanej kredy, dalej obserwowali to samo. Dopóki odległość między dzióbkiem a powierzchnią wody w naczyniu była mniejsza niż 1 cm, część cząstek napływała do czajnika. Już wcześniej naukowcy zaobserwowali wiry powstające w czasie poziomego przepływu cieczy. Odpowiadają one za przepływ w kierunku odwrotnym do głównego nurtu wzdłuż brzegów naczynia/kanału. Altshuler, S. Bianchini i A. Lage-Castellanos uważają jednak, że podobne wiry powstają również w wodzie spadającej z czajnika. Zjawisko można wyjaśnić m.in. efektem Marangoniego (przepływem wywołanym gradientem napięcia powierzchniowego), ponieważ w miarę jak rośnie liczba listków/cząstek kredy unoszących się na powierzchni cieczy, w dolnym naczyniu spada napięcie powierzchniowe. By wiry przeciwstawne zadziałały, należy pamiętać, żeby strumień wody z czajnika nie był zbyt długi w stosunku do swej szerokości. Inaczej zachodzić będzie przepływ laminarny (uwarstwiony), który charakteryzuje się dużą przewagą sił lepkości nad siłami bezwładności. Naukowcy komentujący wstępne doniesienia Kubańczyków podkreślają, że do ostatecznej oceny ich koncepcji konieczne jest ujawnienie większej ilości danych.

Opracowane na Cornell University niewielkie urządzenie wielkości dłoni może pozwolić człowiekowi na poruszanie się po pionowych powierzchniach. Wykorzystuje ono napięcie powierzchniowe wody, a jego twórcami są profesor Paul Steen i Michael Vogel. Naukowców zainspirował pewien żuk z Florydy, który potrafi przyssać się do liścia z siłą 100-krotnie przekraczającą jego wagę, a następnie bez najmniejszych problemów odczepić się od niego i ponownie przyczepić. Urządzenie składa się płaskiej powierzchni w której znajdują się otwory o średnicy liczonej w mikronach. Nad nią umieszczono warstwę porowatego materiału, a powyżej - zbiornik z wodą. Całość zasilana jest 9-woltową baterią, która powoduje, że woda przeciska się przez porowatą warstwę i wydostaje przez otwory. Na styku warstwy z otworami i płaskiej powierzchni powstaje napięcie powierzchniowe. To, które obserwujemy w życiu codziennym, jest słabe. Jednak uczeni podczas swoich eksperymentów dowiedli, że ich prototyp zawierający 1000 otworów o średnicy 300 mikronów każdy był w stanie utrzymać ciężar 70 gramów. Im mniejsza powierzchnia styku i im więcej w niej otworów, tym bardziej rośnie siła, z jaką urządzenie przywiera. Naukowcy oceniają, że urządzenie o powierzchni 6,5 centymetra kwadratowego z milionami otworów o średnicy 1 mikrona każdy, będzie w stanie utrzymać ciężar około 7 kilogramów. Jego oderwanie od powierzchni, do której się przyssa, jest banalnie proste. Wystarczy bowiem odwrócić kierunek pola elektrycznego, a woda powróci do zbiornika. Profesor Steen mówi, że największym wyzwaniem było skonstruowanie działającego urządzenia w większej skali, gdyż krople wody mają tendencję do zlewania się. Udało się uniknąć tego zjawiska dzięki odpowiedniej konstrukcji pompy. Naukowiec przewiduje, że w przyszłości uda się na tyle udoskonalić pompy, że możliwe będzie zbudowanie urządzenia zdolnego utrzymać człowieka. Co więcej, jego zdaniem możliwe jest zastosowanie niewielkich membran pokrywających krople wody, które będą na tyle cienkie, iż można je kontrolować, a na tyle grube, że zapobiegną moczeniu powierzchni na której używane będzie urządzenie. Pomyślcie o urządzeniu wielkości karty kredytowej, które pozwoli wyważyć drzwi - mówi Steen. Prace były finansowane przez DARPA i Narodową Fundację Nauki.

Mając w głowie obraz kropli deszczu odbijających się od ziemi podczas ulewy, naukowcy sądzili, że drobiny wody rozbryzgują się, dotykając powierzchni gleby, ściany czy innych obiektów. Tymczasem okazało się, że dzieje się to, zanim kropla dotrze do przeszkody. Shreyas Mandre i zespół z Uniwersytetu Harvarda przeprowadzili szereg symulacji komputerowych. Śledzili, co dzieje się z drobiną wody, która w coś uderza. Wzięli pod uwagę kilka czynników, m.in. ciśnienie powietrza i napięcie powierzchniowe cieczy. Zauważyli, że tzw. typowa kropla, która ma ok. 2 mm szerokości i porusza się z prędkością kilku metrów na sekundę, na parę mikrosekund przed uderzeniem spręża przed sobą powietrze. Ta swego rodzaju poduszka powietrzna spłaszcza kroplę i doprowadza do jej rozpryśnięcia. Fizycy wierzą, że to dzięki temu zjawisku widuje się drobinki cieczy tworzące charakterystyczną koronę. Jest ono mniej prawdopodobne przy silniejszym tarciu powierzchniowym. Wbrew pozorom, wiedza ta przyda się nie tylko meteorologom czy gleboznawcom zgłębiającym tajniki erozji. Mandre podpowiada, że warto by ją wykorzystać podczas projektowania materiałów zapobiegających rozbryzgiwaniu, którymi pokrywałoby się kuchenki czy blaty stołów.

Koreańscy uczeni w Yonsei University w Seulu przeprowadzili badania... kropli atramentu z drukarek. Postanowili oni sprawdzić, jakie właściwości powinien mieć atrament, by drukować jak najlepiej. Naukowcy wykorzystali w badaniach parametr Z, który opisuje napięcie powierzchniowe i lepkość atramentu. Im niższa wartość Z tym większa lepkość, a im wyższa - tym większe napięcie powierzchniowe. Wcześniejsze prace teoretyczne wskazywały, że najlepsze są atramenty o Z mieszczącym się w przedziale od 1 do 10. Eksperymenty Koreańczyków wykazały jednak, że optymalne to te z Z od 4 do 14. Oznacza to, że mniej lepkie atramenty dają lepszy wydruk. Naukowcy badali atramenty filmując proces drukowania przeprowadzany na zbudowanych przez siebie drukarkach. Obserwowali kształt kropli wystrzeliwanych z dysz, to co się z nimi dzieje po drodze i jakie ślady pozostawiają na papierze. Badano atramenty o Z od 1 do 17. Okazało się, że te, których wartość przekraczała 14 bardzo łatwo rozbijały się na mniejsze krople i rozmazywały na papierze. Z kolei krople o Z poniżej 4 przyklejały się do dysz, a drukarki miały problemy z ich wystrzeliwaniem. Obecnie dostępne drukarki i atramenty mieszczą się w opracowanym przez Koreańczyków przedziale. Ich prace przydadzą się jednak w przyszłości, gdyż uściślają naszą wiedzę o mechanizmach druku, pozwolą więc zbudować nieco doskonalsze drukarki.

Mikser kuchenny tak nam już spowszedniał, że nie kojarzy się z żadnymi szczególnymi dokonaniami. To jednak za jego pomocą grupa amerykańskich studentów uzyskała miniaturowe bąbelki, które utrzymują się przez rok. Dzięki nim będzie można m.in. poprawić konsystencję lodów (Science). Emilie Dressaire i zespół studiują inżynierię na Uniwersytecie Harvarda. Przed trzema laty zainspirowała ich rozmowa z chemikiem dr. Rodneyem Bee, podczas której naukowiec poszukujący sposobu na uzyskanie lepszej tekstury lodów light zaprezentował prosty eksperyment z mikserem. Udało mu się uzyskać mikrobąbelki, które nie pękały pod wpływem napięcia powierzchniowego. Ich średnica oscylowała wokół 1 mikrometra, a powierzchnię pokrywały maleńkie sześciokąty. Z góry całość przypominała piłkę futbolową. Wyniki doktora Bee zachwyciły opiekuna harvardzkiego laboratorium, profesora Howarda Stone'a, który kupił studentom mikser. Tak zaczęła się ich przygoda z bąbelkami. Ekipa przez dwie godziny napowietrzała lepki syrop glukozowy z dodatkiem stearynianu sacharozy i wody. Wszystko odbywało się w temperaturze pokojowej. Otrzymano pianę o strukturze krystalicznej, która zabezpieczała pęcherzyki przed pęknięciem. Stearynian sacharozy stał się dla bąbelków zbroją. W takim stanie mogły one przetrwać nawet przez rok. Dressaire widzi wiele zastosowań dla technologii swojego zespołu. I nie chodzi tu wyłącznie o produkty spożywcze, ale także o artykuły kosmetyczne, np. pianki do golenia, czy kontrasty stosowane w czasie badania USG. Wytrzymałe bąbelki mogłyby też zastąpić cząsteczki tłuszczu w pokarmach, m.in. lodach. A to naprawdę dobry sposób na obniżenie ich kaloryczności.

Brytyjska projektantka i chemik stworzyli pierwszą na świecie rozpuszczalną sukienkę. Trudno chyba o materiał bardziej ekologiczny. Z jego utylizacją nie ma najmniejszych problemów, ponieważ znika niemal bez śladu. Podczas realizacji projektu Wonderland Helen Storey reprezentuje fundację swojego imienia, a Tony Ryan Uniwersytet w Sheffield. Na zbliżającym się pokazie zademonstrują 8 sukni z rozpuszczalnych tekstyliów, które zostaną opuszczone do dużych akwariów. Kreacje wykonano z czystego polimeru, alkoholu poliwinylowego, wykorzystywanego do produkcji saszetek uwalniających podczas prania detergenty. Sukienki rozkładają się bardzo wolno, przetrwają więc nawet najbardziej wyczerpujące (czytaj: wyciskające siódme poty) przyjęcie. W wodzie pozostaje po nich ślad przypominający pajęczą nić. Suknia Helen to metafora wszystkich pięknych rzeczy, które tworzymy, a o których nigdy nie myślimy i bez wahania wyrzucamy — tłumaczy profesor Ryan. W ciągu życia pozbywamy się ok. 20 ton opakowań. Chcieliśmy, by ludzie mieli tego świadomość i by poważniej myśleli o nauce. Suknie przyozdobiono kwiatami, które podczas rozpuszczania z wolna uwalniają barwnik i wyglądem przypominają poruszające się w sporej misie anemony. Barwnik zmienia napięcie powierzchniowe, dlatego kwiaty zachowują się jak polujące na siebie zwierzęta. Na ich "trajektorię" wpływają dwa czynniki: kształt rośliny (gwiaździste wydają się tańczyć) i rodzaj barwnika. Jeśli jest on naładowany dodatnio, czyli zawiera kationy, lgnie do ozdób naładowanych ujemnie (z anionami). Storey skontaktowała się z Ryanem po wywiadzie na temat samoniszczących się plastików, którego chemik udzielił radiu BBC. Para pracowała razem nie tylko nad tekstyliami, ale i innymi produktami stanowiącymi połączenie nauki ze sztuką. Wymyślili na przykład znikające butelki, które po opróżnieniu można rozpuścić w gorącej wodzie. Kiedy płyn stygnie, zamienia się w żel wykorzystywany do kiełkowania nasion. Inny pomysł to oczyszczająca wodę poduszka.

Czy krople deszczu są w stanie przezwyciężyć grawitację i poruszać się w kierunku przeciwnym do siły ciążenia? Wielu z nas uznałoby zapewne, że odpowiedź może być tylko jedna: nie. Jednak gdybyśmy zapytali o to samo naukowców z Uniwersytetu Bristolskiego, ich odpowiedź byłaby zdumiewająca. Twierdzą oni bowiem, że krople są w stanie pokonać siłę grawitacji, pod warunkiem że powierzchnia, po której się poruszają, jest odpowiednio potrząsana. Podczas deszczowych dni wielu z nas zaobserwowało, że malutkie krople pozostają nieruchome, podczas gdy większe spadają. Dlaczego się tak dzieje? W przypadku mniejszych kropli siła grawitacji jest równoważona przez napięcie powierzchniowe. Ponieważ te dwie siły mają przeciwny zwrot, woda zastyga w bezruchu. W przypadku dużych kropel mamy do czynienia ze znaczną przewagą grawitacji, która ściąga skupiska cieczy w dół. Matematycy z Bristol University wykazali, że małe krople nie tylko opierają się grawitacji, lecz zaczynają się poruszać w górę. I to nawet wtedy, gdy powierzchnia jest nachylona w stosunku do podłoża pod kątem 85 stopni. Warunek? Powierzchnia musi wibrować z odpowiednią częstotliwością. Jak wyjaśnia Jen Eggers, przy podnoszeniu potrząsanej płytki kropla jest kompresowana, a podczas opuszczania z powrotem pęcznieje. Jeśli będziemy wystarczająco energicznie poruszać płytką, uda się przezwyciężyć napięcie powierzchniowe wzrastające w czasie sprężania, a wtedy kropla zacznie się wyciągać naprzód, wytwarzając siłę wypadkową, która pociągnie ją w górę. Przeprowadzając opisany eksperyment, trzeba wziąć pod uwagę dwa czynniki: 1) wielkość kropel (nie mogą być zbyt duże, bo przy przyłożeniu siły rozpadną się) oraz 2) lepkość cieczy (czysta woda jest zbyt lejąca, a gęsta ciecz będzie się poruszać zbyt wolno). Ze szczegółami badań można się zapoznać na stronach czasopisma Physical Review Letters. Wbrew pozorom, ich wyniki odnoszą się nie tylko do fizyki. Dzięki nim zdobędziemy wiedzę na temat manipulowania małymi elementami, np. fragmentami DNA. Chętnych zapraszamy do obejrzenia nagrania przebiegu doświadczenia.