Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института экспериментально изучила удержание воздуха в волосатых поверхностях и водоотталкивающие свойства недеформируемых волосатых структур, которые являются ключевыми для терморегуляции животных. Результаты могут также вдохновить на создание новых текстильных изделий с улучшенными водоотталкивающими свойствами. Исследователи представят исследование на 68-м ежегодном собрании Отделения гидродинамики Американского физического общества, которое состоится 22-24 ноября 2015 г. в Бостоне, штат Массачусетс.«Мы обнаружили, что геометрические свойства (такие как длина волос и расстояние между ними) волосатых поверхностей играют важную роль в водоотталкивающих свойствах поверхности», — сказала Алиса Насто, главный исследователь и докторант кафедры машиностроения Массачусетского технологического института. «Чем гуще и длиннее волосы, тем суше и тем водоотталкивающими является их волосатая поверхность.
Поскольку теплопроводность воздуха намного меньше, чем у воды, удерживание слоя воздуха на волосистой поверхности снижает теплопроводность, что согревает животных в холодной воде », — сказала Насто.Большинство более ранних исследований по водоотталкивающим поверхностям было сосредоточено на материалах нано- и микромасштаба.
Теперь команда впервые продемонстрировала, что крупномасштабные материалы (в миллиметрах или сантиметрах), такие как мех, могут обладать аналогичными водоотталкивающими свойствами. Такие материалы, вероятно, будет менее сложно производить в больших количествах, чем их аналоги меньшего масштаба.«Мы надеемся, что наши исследования могут послужить основой для технологических достижений и вдохновить на создание новых тканей с улучшенными водоотталкивающими свойствами, таких как новые гидрокостюмы, в которых сохранение тепла и сухости имеет первостепенное значение», — отметил Насто.
Используя комбинацию модельных экспериментов и теории, команда Насто исследовала и объяснила динамику вовлечения воздуха в волосатую поверхность. В модельном эксперименте исследователи изготовили волосатые поверхности с помощью лазерных форм для отливки образцов из мягкой силиконовой резины под названием полидиметилсилоксан (PDMS). Чтобы изучить, как вода взаимодействует с волосатыми поверхностями под потоком, исследователи погрузили образцы в ванну с жидкостью, используя моторизованный столик — устройство, способное погружать образцы в жидкости с точной скоростью.
По словам Насто, когда волосистая поверхность погружается в жидкость, жидкость проникает между волосками из-за гидростатического давления, которое возникает из-за веса жидкости над волосистой поверхностью. Этому проникновению препятствует вязкое сопротивление потоку, которое задерживает истощение воздушного слоя.
Чтобы изучить, как свойства волос (такие как длина волос и расстояние между ними) влияют на смачиваемость поверхности, исследователи экспериментировали с различными параметрами, включая длину волос, расстояние между волосками, вязкость жидкости и скорость погружения, обнаружив, что геометрия волосистой поверхности играет важную роль. значительная роль. В частности, чем плотнее массив волос, тем более водоотталкивающим является поверхность.Команда также обнаружила, что волосатая текстура захватывает гораздо большее количество воздуха, чем классическое покрытие погружением, называемое покрытием Ландау-Левича, тем самым создавая «расширенную версию» покрытия погружением.
Однако, в отличие от классического Ландау-Левича, преобладающий баланс на порядках длины, относящийся к шерсти водных животных, находится между вязкими напряжениями и гидростатическим давлением. «Мы надеемся, что эти результаты могут также потенциально способствовать развитию технологий нанесения покрытий», — сказал Насто.Модель команды успешно предсказала динамические свойства недеформируемых волосатых текстур. Однако, поскольку мех или перья многих животных в реальном мире относительно длинные и деформируемые, следующим шагом исследователей будет изучение гибких, похожих на волосы особенностей.«Может ли гибкость волос привести к задержке воздуха сверх критической глубины?
Как эта« глубина уплотнения »зависит от плотности, геометрии и гибкости волос? Это все остающиеся вопросы для следующих этапов нашего исследования», — сказал он. — сказала Насто.