Salvinia účinek - Salvinia effect

Obří Salvinia (S. molesta) při různých zvětšeních; na obrázku SEM d) jsou viditelné krystaly vosku odpuzující vodu a čtyři kotvící buňky bez hydrofilního vosku na špičkách vlasů.

The Salvinia účinek popisuje trvalou stabilizaci vzduchové vrstvy na hierarchicky strukturovaném povrchu ponořeném ve vodě. Na základě biologických modelů (např. Plovoucí kapradiny Salvinia, plavec Notonecta ), biomimetické povrchy Salvinia se používají jako povlaky snižující odpor (u prvních prototypů bylo dříve měřeno až 30% snížení).[1][2] Po nanesení na trup lodi by povlak umožňoval lodi plavat na vzduchové vrstvě; snížení spotřeby energie a emisí. Takové povrchy vyžadují extrémně vodoodpudivý superhydrofobní povrch a elastickou chlupatou strukturu v milimetrech, aby zachytily vzduch, když jsou ponořeny. Účinek Salvinie objevil biolog a botanik Wilhelm Barthlott (Univerzita v Bonnu) a jeho kolegové a byl zkoumán na několika rostlinách a zvířatech od roku 2002. Publikace a patenty byly publikovány v letech 2006 až 2016.[3] Nejlepší biologické modely jsou plovoucí kapradiny (Salvinia) s vysoce propracovanými hierarchicky strukturovanými chlupatými povrchy,[4] a zadní plavci (např.Notonecta) se složitou dvojitou strukturou chloupků (setae) a mikroklků (microtrichia). Tři z deseti známých druhů Salvinia vykazují paradoxní chemickou heterogenitu: kromě superhydrofobního povrchu rostlin hroty hydrofilních vlasů dále stabilizují vzduchovou vrstvu.[5]

Salvinia, Notonecta a jiné organismy s povrchy zadržujícími vzduch

Ponoření do vody, extrémně vodoodpudivé (super hydrofobní ), strukturované povrchy zachycují vzduch mezi strukturami a tato vzduchová vrstva je udržována po určitou dobu. Na ponořených površích je vidět stříbřitý lesk způsobený odrazem světla na rozhraní vzduchu a vody.

Dlouhodobé vzduchové vrstvy se vyskytují také ve vodních členovcích, kteří dýchají prostřednictvím fyzického žáberu (plastronu), G. vodní pavouk (Argyroneta ) a talířek (Aphelocheirus) Vzduchové vrstvy pravděpodobně také přispívají ke snížení tření u rychle se pohybujících zvířat pod vodou, jako je tomu u zadního plavce Notonecta.[6]

Nejznámějšími příklady dlouhodobé retence vzduchu pod vodou jsou plovoucí kapradiny rodu Salvinia. Asi deset druhů velmi různorodých velikostí se vyskytuje v lentické vodě ve všech teplejších oblastech Země, jeden široce rozšířený druh (S. natans ) nalezené v mírném podnebí lze dokonce najít v Střední Evropa. Schopnost zadržovat vzduch je pravděpodobně technikou přežití těchto rostlin. Horní strana plovoucích listů je vysoce vodoodpudivá a má velmi složité a druhově specifické velmi výrazné chloupky.[4] Některé druhy mají mnohobuněčné volně stojící vlasy o délce 0,3–3 mm (např. S. cucullata ) zatímco na ostatních jsou na koncích spojeny dva chloupky (např. S. oblongifolia ). S. minima a S. natans mít čtyři volně stojící chloupky spojené na jedné základně. Obří Salvinia (S. molesta ), stejně jako S. auriculata a další blízce příbuzné druhy vykazují nejsložitější chloupky: čtyři chloupky rostou na společné hřídeli; jsou připojeni na jejich tipy. Tyto struktury připomínají mikroskopické šlehače vajec, a proto se jim říká „trichomy šlehače vajec“. Celý povrch listů, včetně chloupků, je pokryt krystaly vosku v nanoměřítku, které jsou důvodem vodoodpudivých vlastností povrchů. Tyto povrchy listů jsou proto klasickým příkladem „hierarchické struktury“.[4]

Vlasy šlehače vajec Salvinia molesta a blízce příbuzné druhy (např. S. auriculata) vykazují další pozoruhodnou vlastnost. Čtyři buňky na špičce každého vlasu (kotevní buňky),[3] na rozdíl od zbytku vlasů jsou bez vosku, a proto hydrofilní; ve skutečnosti smáčitelné ostrovy obklopené super-hydrofobním povrchem. Tato chemická heterogenita,[5] the Salvinia paradox, umožňuje připnutí rozhraní vzduch-voda k zařízení a zvyšuje tlak a dlouhodobou stabilitu vzduchové vrstvy.[5][7]

Vzduch zadržující povrch plovoucí kapradiny nevede ke snížení tření. Ekologická extrémně adaptabilní obří Salvinia (S. molesta) je jednou z nejdůležitějších invazních rostlin ve všech tropických a subtropických oblastech Země a je příčinou ekonomických i ekologických problémů.[8] Rychlost jeho růstu může být nejvyšší ze všech cévnatých rostlin. V tropech a za optimálních podmínek S. molesta může do čtyř dnů zdvojnásobit svoji biomasu. Zde popsaný efekt Salvinia hraje s největší pravděpodobností zásadní roli v jeho ekologickém úspěchu; vícevrstvé plovoucí rostlinné rohože pravděpodobně udržují svou funkci výměny plynů ve vzduchové vrstvě.

Pracovní princip

Zpětný plavec (Notonecta glauca) pod vodou: stříbřitý záblesk pochází ze světla odrážejícího se od rozhraní mezi vzduchovou vrstvou na křídle a okolní vodou.

Salvinia efekt definuje povrchy, které jsou schopné v důsledku své hydrofobní chemie v kombinaci se složitou architekturou trvale udržovat relativně silné vzduchové vrstvy [9] v nano- a mikroskopických rozměrech.

Tento jev objevil během systematického výzkumu vodních rostlin a živočichů Wilhelm Barthlott a jeho kolegové na univerzitě v Bonnu v letech 2002 až 2007.[10] Bylo definováno pět kritérií,[11] umožňují existenci stabilních vrstev vzduchu pod vodou a od roku 2009 definují Salvinia efekt:[12] (1) chemie hydrofobních povrchů v kombinaci s (2) nanoskalické struktury generují superhydrofobicitu, (3) mikroskopické hierarchické struktury v rozmezí od několika mikroskopických až několika milimetrů s (4) podříznutími a (5) elastickými vlastnostmi. Pružnost se jeví jako důležitá pro stlačení vzduchové vrstvy v dynamických hydrostatických podmínkách.[13] Dalším optimalizačním kritériem je chemická heterogenita hydrofilních špiček (Salvinia Paradox[4][6]). Toto je ukázkový příklad hierarchického strukturování na několika úrovních.[12]

U rostlin a živočichů jsou povrchy se salviniovým účinkem zadržující vzduch vždy fragmentovány v malých odděleních o délce 0,5 až 8 cm a okraje jsou utěsněny proti ztrátě vzduchu pomocí konkrétních mikrostruktur.[1][3][14] Oddíly se zatavenými hranami jsou také důležité pro technické aplikace.

Princip práce je ilustrován pro Giant Salvinia.[4] Listy S. molesta jsou schopny udržet vzduchovou vrstvu na svých površích po dlouhou dobu, když jsou ponořeny ve vodě. Pokud je list stažen pod vodou, povrch listu vykazuje stříbrný lesk. Charakteristickým rysem S. molesta spočívá v dlouhodobé stabilitě. Zatímco vzduchová vrstva na většině hydrofobní povrchy zmizí krátce po ponoření, S. molesta je schopen stabilizovat vzduch po dobu několika dnů až několika týdnů. Časové rozpětí je tím jen omezeno životností listu.

Schematické znázornění stabilizace vrstev podvodního vzduchu zadržovaných hydrofilními kotevními buňkami („Salvinia paradox“)

Vysoká stabilita je důsledkem zdánlivě paradoxní kombinace a superhydrofobní (extrémně vodoodpudivý) povrch s hydrofilní (voda atraktivní) skvrny na špičkách struktur.

Při ponoření pod vodu nemůže žádná voda proniknout do místnosti mezi vlasy kvůli hydrofobnímu charakteru povrchů. Voda je však přitlačena ke špičce každého vlasu čtyřmi koncovými buňkami bez vosku (hydrofilní). Tato fixace vede ke stabilizaci vzduchové vrstvy pod vodou. Princip je znázorněn na obrázku.

Schematicky jsou znázorněny dva ponořené povrchy zadržující vzduch: na levé straně: hydrofobní povrch. Na pravé straně: hydrofobní povrch s hydrofilními špičkami.

Li podtlak Když se aplikuje, rychle se vytvoří bublina na čistě hydrofobních površích (vlevo) táhnoucích se přes několik struktur. S rostoucím podtlakem bublina roste a může se oddělit od povrchu. Vzduchová bublina stoupá k povrchu a vzduchová vrstva klesá, dokud úplně nezmizí.

V případě povrchu s hydrofilními kotevními buňkami (vpravo) je voda připevněna ke špičkám každé struktury hydrofilní náplastí nahoře. Tyto vazby umožňují vytvoření bubliny táhnoucí se přes několik struktur; uvolňování bublin je potlačeno, protože nejprve je třeba přerušit několik odkazů. To má za následek vyšší vstup energie pro tvorbu bublin. Proto je nutný zvýšený podtlak, aby se vytvořila bublina schopná oddělit se od povrchu a stoupat nahoru.

Biomimetická technická aplikace

Zpětní plavci (Notonecta glauca): rozhraní křídel směřujících k vodě mají hierarchickou strukturu složenou z dlouhých vlasů (Satae) a koberce mikroklků.

Podvodní vzduch zadržující povrchy mají velký zájem o technické aplikace. Pokud je přenos účinku na technický povrch úspěšný, mohou být tímto povrchem potaženy lodní trupy, aby se snížilo tření mezi lodí a vodou, což má za následek nižší spotřebu paliva, náklady na palivo a snížení jeho negativního vlivu na životní prostředí (antivegetativní účinek vzduchové vrstvy ).[15] V roce 2007 již první zkušební lodě dosáhly snížení tření o deset procent [9] a tento princip byl následně patentován.[16] Nyní vědci předpokládají snížení tření o více než 30%.[17]

Základní princip je schematicky znázorněn na obrázku. Zde jsou porovnány dva profily proudění laminárního proudění ve vodě přes pevný povrch a vody tekoucí přes povrch zadržující vzduch.

Pokud voda protéká přes hladký pevný povrch, je rychlost na povrchu nulová kvůli tření mezi vodou a povrchovými molekulami. Pokud je vzduchová vrstva umístěna mezi pevným povrchem a vodou, rychlost je vyšší než nula. Nižší viskozita vzduchu (55krát nižší než viskozita vody) snižuje přenos třecí síly stejným faktorem.

Schematické znázornění porovnávající dynamiku tekutin vody podél pevného povrchu a povrchu zadržujícího vzduch: Přímo na pevném povrchu je rychlost vody nulová kvůli tření molekul vody a povrchu (vlevo). V případě povrchu zadržujícího vzduch (vpravo) slouží vzduchová vrstva jako kluzný prostředek. Díky nízké viskozitě vzduchu je voda schopna se pohybovat na rozhraní vzduch-voda, což znamená snížení odporu a rychlost vyšší než nula.

Vědci v současné době pracují na vývoji a biomimetický, model trvale zadržující vzduch S. molesta [18] snížit tření na lodích. Bylo prokázáno, že povrchy Salvinia-Effect rychle a efektivně adsorbují olej a lze je použít pro aplikace separace olej-voda [19]

Reference

  1. ^ A b Barthlott, W., Mail, M., & C. Neinhuis, (2016) Superhydrofobní hierarchicky strukturované povrchy v biologii: evoluce, strukturní principy a biomimetické aplikace. Phil. Trans. R. Soc. A 374.2073 DOI: 10.1098 / rsta.2016.0191
  2. ^ Barthlott, W., Mail, M., Bhushan, B., & K. Koch. (2017). Rostlinné povrchy: Struktury a funkce pro biomimetické inovace. Nano-mikro písmena, 9(23), doi: 10,1007 / s40820-016-0125-1.
  3. ^ A b C Barthlott, W., Wiersch, S., Čolić, Z., & K. Koch, (2009) Klasifikace typů trichomů v rámci druhů vodní kapradiny Salvinia a ontogeneze trichomů mláďat. Botanika. 87 (9). str. 830–836, DOI: 10.1139 / B09-048.
  4. ^ A b C d E Barthlott, W., Schimmel, T., Wiersch, S., Koch, K., Brede, M., Barczewski, M., Walheim, S., Weis, A., Kaltenmaier, A., Leder, A., & H. Bohn, (2010). Salvinia Paradox: Superhydrofobní povrchy s hydrofilními kolíky pro zadržování vzduchu pod vodou. Pokročilé materiály. 22 (21). pp 2325–2328, DOI: 10,1002 / adma.200904411.
  5. ^ A b C Ditsche-Kuru, P., Schneider, ES, Melskotte, J.-E., Brede, M., Leder, A., & W. Barthlott, (2011) Superhydrofobní povrchy vodní chyby Notonecta glauca: model pro tření redukce a zadržování vzduchu. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2 (1). str. 137–144, DOI: 10,3762 / bjnano.2.17.
  6. ^ A b Amabili, M., Giacomello, A., Meloni, S. a C. M. Casciola, (2015) Unraveling the Salvinia Paradox: Design Principles for Submerged Superhydrophobicity. Pokročilá materiálová rozhraní. 2 (14). DOI: 10,1002 / obdiv.201500248.
  7. ^ http://www.environment.gov.au/biodiversity/invasive/weeds/publications/guidelines/wons/pubs/s-molesta.pdf
  8. ^ Konrad, W., Apeltauer, C., Frauendiener, J., Barthlott, W. a A. Roth-Nebelsick, (2009) Aplikování metod z diferenciální geometrie k vytvoření stabilních a trvalých vrstev vzduchu připojených k objektům ponořeným do vody. Journal of Bionic Engineering 6 (4), pp 350–356, DOI: 10.1016 / S1672-6529 (08) 60133-X
  9. ^ A b BMBF-Projekt PTJ-BIO / 311965A: „Superhydrofob Grenzflächen - ein mögliches Potenzial für hydrodynamische technische Innovationen“, Bonn 2002–2007.
  10. ^ Solga, A., Cerman, Z., Striffler, B.F., Spaeth, M. & W. Barthlott. (2007) Sen zůstat čistý: Lotus a biomimetické povrchy. Bioinspir. Biomim. 4 (2), s. 126–134. DOI: 10.1088 / 1748-3182 / 2/4 / S02
  11. ^ Mail, M., Böhnlein, B., Mayser, M. & W. Barthlott. (2014) Bionische Reibungsreduktion: Eine Lufthülle hilft Schiffen Treibstoff zu sparen In: A. B. Kesel, D. Zehren (ed.): Bionik: Patente aus der Natur - 7. Bremer Bionik Kongress, Brémy, str. 126-134. ISBN  978-3-00-048202-1.
  12. ^ A b Koch, K., Bohn, H.F. a W. Barthlott. (2009) Hierarchically Sculptured Plant Surfaces and Superhydrophobicity. Langmuir. 25 (24), str. 14116–14120. DOI: 10,1021 / la9017322.
  13. ^ Ditsche, P., Gorb, E., Mayser, M., Gorb, S., Schimmel, T. & W. Barthlott. (2015) Elasticita vlasového krytu na povrchech Salvinia zadržujících vzduch. Aplikovaná fyzika A. DOI: 10,1007 / s00339-015-9439-r.
  14. ^ Balmert, A., Bohn, H.F., Ditsche-Kuru, P. & W. Barthlott. (2011) Suchý pod vodou: Srovnávací morfologie a funkční aspekty povrchů hmyzu zadržujících vzduch. Journal of Morphology. 272 (4), s. 442–451, DOI: 10,1002 / jmor.10921.
  15. ^ Klein, S. (2012). Effizienzsteigerung in der Frachtschifffahrt unter ökonomischen und ökologischen Aspekten am Beispiel der Reederei Hapag Lloyd. Projektarbeit Gepr. Betriebswirt (IHK), Akademie für Welthandel.
  16. ^ Patent WO2007099141A2: Nemáčitelné povrchy. Publikováno 7. září 2007, Vynálezce: Barthlott, W., Striffler, B., Schrrieble, A., Stegmaier, T., Striffler, B., von Arnim, V.
  17. ^ Melskotte, J.-E., Brede, M., Wolter, A., Barthlott, W. & A. Leder. (2013). Schleppversuche an künstlichen, Luft haltenden Oberflächen zur Reibungsreduktion am Schiff. In: C. J. Kähler, R. Hain, C. Cierpka, B. Ruck, A. Leder, D. Dopheide (ed.): Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik. Mnichov, Beitrag 53.
  18. ^ Tricinci, O., Terencio, T., Mazzolai, B., Pugno, N., Greco, F. & V. Matolli. (2015). 3D mikrovzorovaný povrch inspirovaný salvinia molesta prostřednictvím přímé laserové litografie. ACS použité materiály a rozhraní 7 (46): 25560-25567. DOI: 10,1021 / acsami.5b07722
  19. ^ Zeiger, C., da Silva, I. C. R., Mail, M., Kavalenka, M. N., Barthlott, W., a H. Hölscher. (2016). Mikrostruktury superhydrofobních rostlinných listů - inspirace pro účinné materiály pro čištění ropných skvrn. Bioinspirace a biomimetika, 11(5), DOI: 10.1088 / 1748-3190 / 11/5/056003

Další čtení

  • Barthlott, Wilhelm; Schimmel, Thomas; Wiersch, Sabine; Koch, Kerstin; Brede, Martin; Barczewski, Matthias; Walheim, Stefan; Weis, Aaron; Kaltenmaier, Anke; Leder, Alfred; Bohn, Holger F. (2010), „The Salvinia Paradox: Superhydrophobic Surfaces with Hydrofilic Pins for Retention Air under Water“, Pokročilé materiály (v němčině), 22 (21), s. 2325–2328, doi:10.1002 / adma.200904411, PMID  20432410
  • P. Ditsche-Kuru, M. J. Mayser, E. S. Schneider, H. F. Bohn, K. Koch, J.-E. Melskotte, M. Brede, A. Leder. M. Barczewski, A. Weis, A. Kaltenmaier, S. Walheim, Th. Schimmel, W. Barthlott: Eine Lufthülle für Schiffe - Können Schwimmfarn und Rückenschwimmer helfen Sprit zu sparen? In: A. B. Kesel, D. Zehren (ed.): Bionik: Patente aus der Natur −5. Bremer Bionik Kongress. A. B. Kesel a D. Zehren. Bremen 2011, Seiten 159–165.
  • "Salvinia Effect", Biomimetics: Bioinspired Hierarchical-structured Surfaces for Green Science and Technology (v němčině), Berlín / New York: Springer, s. 179–186, 2012, ISBN  978-3-642-25407-9
  • Konrad, Wilfried; Apeltauer, Christian; Frauendiener, Jörg; Barthlott, Wilhelm; Roth-Nebelsick, Anita (2009), „Aplikování metod z diferenciální geometrie k vytvoření stabilních a trvalých vrstev vzduchu připojených k objektům ponořeným do vody“, Journal of Bionic Engineering (v němčině), 4 (6), s. 350–356, doi:10.1016 / S1672-6529 (08) 60133-X
  • S. Klein: Effizienzsteigerung in der Frachtschifffahrt unter ökonomischen und ökologischen Aspekten am Beispiel der Reederei Hapag Lloyd, Projektarbeit Gepr. Betriebswirt (IHK), Akademie für Welthandel, 2012.
  • W. Baumgarten, B. Böhnlein, A. Wolter, M. Brede, W. Barthlott, A. Leder: Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Stabilität von Luft-Wasser Grenzflächen an biomimetischen, Luft haltenden Beschichtungen. In: B. Ruck, C. Gromke, K. Klausmann, A. Leder, D. Dopheide (Hrsg.): Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik. 22. Fachtagung, 9. – 11. Září 2014, Karlsruhe; (Tagungsband). Karlsruhe, Dt. Ges. für Laser-Anemometrie GALA e.V., ISBN  978-3-9816764-0-2, S. 36,1–36,5 (Online ).
  • M. Rauhe: Salvinia-Effekt Gute Luft pod Wasserem. V: PODÍVAT TO. Č. 4, 2010, S. 26–28.

externí odkazy