"Anta en helt friktionsfri yta." Hur många gånger såg vi det uttalandet i vår fysiklektion på gymnasiet? Och hur många gånger undrade vi varför våra lärare var så ivriga att få oss att leva i en fantasivärld? Nu, tack vare en grupp forskare som kallas tribologer , utsikterna att eliminera friktion mellan två interagerande ytor håller snabbt på att bli verklighet.
Det görs på intressanta sätt, för. Till exempel, ett team av forskare vid Harvard University studerade den köttätande krukväxtens löv, som har mikroskopiska åsar som fångar ett lager av flytande nektar mellan dem. Ytan är så hal att insekter som landar på bladen glider av och faller i djupa, kannaformade påsar, där enzymer suger upp dem. Tillbaka i labbet, forskarna dubblerade den hala sluttningen av kannan genom att skapa ett slumpmässigt nätverk av vattenavvisande nanoposter och teflonbelagda nanofibrer och sedan blötlägga dem i en fluorrik vätska. Vätskan bildade ett lager mellan nanostrukturerna, förhindra att vatten och andra material rinner mellan dem och skapa en nästan nonstick -yta.
Vad kan friktionsfria ytor göra för dig? Väl, vi har alla vänd några ägg på nonstick -stekpannor, men det är bara toppen på ett supersnabbt isberg.
InnehållBiofilmer - gobelänger av mikrober som bakterier eller svampar som växer vid ett fast underlag- orsakar många problem för vårdgivare. Enligt National Institutes of Health, biofilmbildning står för 65 procent av alla mänskliga mikrobiella infektioner [källa:Ames]. Du kanske tror att krånglig rengöring är svaret på problemet, men biofilmer motstår envist att skrubba. De tenderar också att skaka av sig effekterna av antibiotika. Den bättre lösningen innebär att förhindra att bakterier ansluter sig till ett substrat i första hand. Hej, friktionsfri yta!
En biofilm börjar sitt liv när några bekymmerslösa mikroorganismer kryssar av en bänkskiva eller kirurgiskt instrument och sticker, antingen genom klibbiga vidhäftningsmolekyler eller strukturer som kallas pili . När den väl är ansluten, denna lilla grupp av celler utsöndrar en extracellulär polymer substans , eller EPS , som fungerar som cement för att hålla cellerna - och deras avkomma - permanent på plats. Men om du kan avbryta bifogningsprocessen, du kan stoppa biofilmen från att bildas.
Det är precis vad ett team av forskare från University of Nottingham i Storbritannien har gjort. Genom att belägga laboratorieytor och medicintekniska produkter såsom katetrar med en akrylatpolymer som liknar dem som används i plastindustrin, forskarna kunde förhindra att bakteriespårare från att få en tåhållare. Resultatet:De fann en 97 -procentig minskning av täckningen av Staphylococcus aureus bakterie [källa:Ames].
På 1970 -talet, Heinz byggde en hel reklamkampanj kring sin supertjocka, friktionsvänlig ketchup. Kampanjen lånade Carly Simons hit "Anticipation" och hyllade dygderna i en "smak som är värd att vänta."
Tydligen, livsmedelsindustrin tycker inte att avfallet är värt att vänta. Ketchup, senap, majonnäs och grillsås som inte kan lockas från flaskor betyder förlorade intäkter för restaurangägare och familjer som försöker sträcka sina livsmedelsbudgetar. Cirka 1 miljon pund (453, 592 kilo) fasta såser och dressingar kastas ut varje år världen över, enligt Varanasi Research Group, ett team av mekaniska ingenjörer och nanoteknologer vid Massachusetts Institute of Technology. Sedan är det frågan om det stora locket som krävs för att få kryddor ur pressflaskor. Att eliminera behovet av ett så stort lock skulle minska hur mycket plast som går i en enda flaska, som kan hålla 25, 000 ton petroleumbaserade produkter ur avfallsflödet varje år [källa:LiquiGlide].
Samma kryddstokiga MIT-team har en lösning:täck insidan av flaskorna med ett unikt material som förhindrar ketchup, majonnäs eller någon annan typ av sås från att fastna på ytan. De flesta liknande beläggningar innehåller nanolmörjmedel som du kanske inte vill få i dig, men Cambridge-folket utvecklade ett livsmedelssäkert material som de säger är helt smaklöst och giftfritt. De kallar det LiquiGlide och beskriv det som en "strukturerad vätska" - stel som ett fast ämne, men hal som en vätska. Smörj insidan av en kryddflaska med LiquiGlide, och innehållet glider ut som, väl, bajs från en gås.
Ingenjörer har besatt av ubåtsdesign i mer än 200 år, men de har inte kunnat eliminera ett av dess mest irriterande problem - friktionsdrag , en kraft som motsätter sig rörelse framåt när vatten fastnar på ytan av det yttre skrovet. Enligt vissa uppskattningar, denna "hudfriktion" står för ungefär 65 procent av draget på ubåtar [källa:gädda].
En lösning? Ett system för utstötning av polymer. I ett sådant system, polymer lagras i en tank och matas sedan ut genom en serie portar när ubåten rör sig. Polymeren flyter över ytan och minskar interaktionen mellan vattenmolekyler och ytan. Tyvärr, systemet ökar också kärlets vikt.
Nu kan forskare ha ett bättre knep:täcka ubåtar med en nonstick -yta gjord av en revolutionerande nanoteknik. Materialet ser inte särskilt speciellt ut med blotta ögat. Men om du ser det under ett mikroskop, du ser att den innehåller små nålar med ett par miljontedelars mellanrum. Nålarna vilar, som ett grässkikt, på en yta av teflon. När vatten träffar materialet, den möter luft som fångas i mellanrummen mellan nålarna. Och detta gör materialet extremt halt-99 procent mindre klibbigt än en vanlig teflonyta utan nanostorlekarna [källa:BBC News].
Ubåtar belagda med nanoteknik skulle ha mycket mindre friktionsmotstånd och skulle kräva mindre bränsle för att driva dem. Och, Japp, en regnrock från samma material skulle skydda dig mycket bättre än den dyraste London Fog -trenchcoaten.
Flygplansvingar ger en betydande mängd lyft - så länge de bibehåller sin fabriksform. Täck en vinge med ett tunt lager snö eller is, dock, och du stör dess förmåga att hålla ett plan i luften. Faktiskt, enligt vissa uppskattningar, isuppbyggnad kan minska lyftet med så mycket som 25 procent, det är därför mark- och flygbesättningar oroar sig så mycket för avisning under vinterresor [källa:Kaydee].
Den beprövade metoden för att ta bort is innebär en strategi i tre steg. Under det första steget, avisning, flygplatsens markbesättningar sprutar en het lösning av glykol och vatten på ett flygplans vingar. Detta smälter befintlig is men gör lite för att förhindra att ny is bildas. För att uppnå detta krävs ett isbildningssteg och en andra typ av vätska, som innehåller mer glykol och ytterligare tillsats för att få det att klamra sig fast vid vingytan under start. När ett flygplan når sin marschhöjd, vätskor blir mindre effektiva i kampen mot frusen nederbörd. Jetpiloter löser problemet genom att avleda lite värme från motorerna till rör i vingarna. Piloter på propellerdrivna plan förlitar sig på gummistövlar som blåses upp och töms för att slå is från vingarna och svansen.
Men tänk om du kunde bygga ett plan med en yta så slät att is inte kan bildas i första hand? Flera typer av nanoteknik kan snart göra detta till verklighet. Forskare från GE Global Research har utvecklat en nanoteksturerad, superhydrofobisk (eller vattenavvisande) beläggning som dramatiskt minskar ishäftning på vingytor. Och ett team vid North Carolina State University experimenterar med en nonstick -polymer som fungerar tillsammans med ett elastiskt underlag. Polymeren appliceras på substratet när det elastiska materialet sträcks något. När spänningen lindras, substratet drar ihop polymermolekylerna till en superdens konfiguration. Flygplansvingar belagda med de friktionsfria polymererna motstår att beläggas av någonting-till och med is.
Det är osannolikt att graffitikonstnärer kommer att visas på FBI:s lista med tio mest eftersökta flyktingar, men städer och kommuner tar den här typen av vandalism på största allvar. Chicago spenderade 4,1 miljoner dollar 2012 på sitt anti-graffitiprogram och under 2011, borttagen 137, 459 instanser av spraymålade konstverk från broar, byggnader och skyltar [källa:Novak]. I Los Angeles, problemet - och den nödvändiga budgeten för att hantera det - är ännu större. Det är mycket pengar och människokraft som kan riktas till andra sociala tjänster och stadsprogram.
Besättningar för rengöring av graffiti använder en mängd olika tekniker för att svampa bort olagliga konstverk-övermålning, kemisk avlägsnande och energitvätt. Tyvärr, några av dessa metoder kan ge en större ögonskada än själva vandalismen. Gå in i den graffitiavstötande väggen, som har ett nonstick -material som antingen motstår färghäftning eller gör borttagningen mycket enklare eftersom färgen inte interagerar med den skyddade ytan. Forskare har utformat ett sådant material för att efterlikna bladen på lotusblomman. Ytan på dessa blad bär en invecklad uppsättning mikroskopiska åsar belagda med vax. Åsarna fäller luft mellan dem och, som ett resultat, vatten som faller ner på bladet bildar enskilda droppar som helt enkelt rullar av. En vägg eller skylt belagd med ett sådant material - en nanostruktur byggd i labbet men inspirerad av naturen - skulle folie graffitikonstnärer och förmodligen göra stadsborgmästare väldigt, väldigt glad.
Vissa människor älskar att tvätta sina bilar, men många människor skulle uppskatta att ha det fräscha från-showroom-utseendet utan all ansträngning. Och glöm inte miljöpåverkan av biltvätt, som dränerar vattenreserver och släpper ut föroreningar i hotade våtmarker. Om bara våra bilar skulle städa sig själva.
Tack till några forskare vid Eindhoven University of Technology i Nederländerna, vi kan vara närmare en evigt polerad Prius. Forskarna uppfann inte en helt ny nanoteknik. Istället, de tog en befintlig vattenbeständig produkt, redan används på vissa fordon, och gjorde det bättre. Den ursprungliga beläggningen fungerade eftersom den kom inbäddad med nanokapslar i ytan. De små kapslarna avstöt både vatten och innehöll rengöringsmedel eller färgdroppar så att när de sprängdes, säg med en nyckel repa, de släppte sitt innehåll och "läkte" fläcken. Tyvärr, kapslarna hade en begränsad hållbarhet. För att förlänga beläggningens självrensande/läkande egenskaper, de nederländska forskarna har omformat sin nanostruktur så att kapslarna ligger på stjälkar. När en kapsel/stjälkkombination störs, en annan underliggande stjälk reser sig upp och orienterar sig vid ytan för att återställa fabriksfinishen.
Bilar beväpnade med denna nya beläggning kommer att kräva lite mer än ett bra regn för att tvätta bort smuts och smuts. Och fågelspillning som stänkte över din dörr eller huva kan vara ett minne blott.
Återförsäljare är inte de enda som ser fram emot dagen efter Thanksgiving. Tydligen, rörmokare älskar också Black Friday, som, enligt minst en källa, är bästa tiden för igensatta rör i badrum och kök [källa:Henkenius]. Även om det märkliga förhållandet verkar lite mystiskt (även om vi är säkra på att farbror Fred har något att göra med det), Träskor har varit kända i flera år. De börjar när en liten mängd skräp fastnar på insidan av ett rör och fungerar sedan som en kärna på vilken annat material samlas. Till exempel, om du tömmer fett i diskbänken, fett fastnar på rörets sidor och matpartiklar fastnar på fettet. När hindret växer med tiden, vatten backar bakom blockeringen.
I framtidens hus, alla rör kommer att vara fodrade med en friktionsfri beläggning. Detta förhindrar att skräp fastnar och bör göra träskor praktiskt taget obefintliga. Många kommersiella företag har redan investerat i liknande teknik. Kemiska tillverkare, till exempel, vanligt använda slangar fodrade med polytetrafluoretylen, eller PTFE. Du känner igen PTFE med det vanligare varumärket - Teflon, samma material som täcker dina nonstick -grytor och kokkärl. När den används i rör och rör, PTFE förhindrar nedsmutsning och träskor. Det minimerar också vätskebeständighet, vilket gör tillverkningsmiljöer mycket effektivare.
Tills du kan få teflonfodrade rör i ditt hus, det kan vara bäst att skicka farbror Fred packning. Eller fyll på kolvar och kemiska avloppsrenare.
Om du inte äger ett sjöfartsfartyg, du förlorar förmodligen inte mycket sömn över havsörn. Men för flottor, marinor och kommersiella fiskebåtar, det är en allvarlig oro. En studie från 2011 gjord av forskare vid United States Naval Academy fann det bioförorening - det är den fina termen som används för att beskriva vad som händer när de små saltvattenkräftdjuren fäster vid ett skrov eller en propeller och minskar fartygets effektivitet- kostar marinen 56 miljoner dollar per år eller 1 miljard dollar under 15 år [källa:Schultz]. Och det är bara för en klass fartyg-Arleigh Burke-klassens guidade missilförstörare.
De flesta av dessa kostnader innebär en rengörings- och målningsprocess som har funnits i århundraden. Först, fartyget placeras i torrdocka, sedan skrapar arbetarna bort havskulorna från skrovet och propellerbladen. Till sist, de behandlar utsatta ytor med färg som innehåller tenn eller koppar. Metallerna i färgen är giftiga för larver, hindra dem från att bosätta sig och hitta ett permanent hem. Men färgen försvinner med tiden, vilket innebär att fartyg måste rengöras upprepade gånger under sin livstid.
Lyckligtvis, forskare har funnit vad som kan vara ett bättre tillvägagångssätt. Efter att ha lärt sig att havsbröken föredrar släta ytor, de skapade ett mikrostrukturerat material som innehåller små toppar och dalar i storlek från 1 till 100 mikrometer. Därefter exponerade de materialet för havslevande havsvatten för att mäta hur mycket fästning ägde rum. De fann att när topografin av ytstrukturen förblev i området 30 till 45 mikrometer, barnacle -uppläggning och infästning minskade med 92 procent jämfört med släta ytor [källa:Berntsson]. Forskningen kan leda till den första nonstick, framtidens skeppsbrusande skepp.
Om du är en tuggummiälskare, särskilt en som bor i betongdjungeln i någon större stad, tugga på det här:Varje gång du spottar en bit av klumpiga saker på marken, du slutar betala för det i form av högre skatter. Det är rätt, att skrapa kasserat tuggummi från trottoarer och gator kräver kemikalier, ångstädare, power washers och operatörer för att göra det smutsiga arbetet. I Charleston, S.C., staden spenderar 200 dollar i månaden bara för att hålla tre verktygsstänger i stadsdelsmarknaden fria från egensinniga vaddar. Och i Ocean City, Md., två stadsanställda spenderar tre veckor varje höst med att städa trottoarerna i ett område med 14 block nära strandpromenaden [källa:Bryant]. Det är inget nytt problem, antingen. År 1939, som en del av borgmästaren La Guardias kampanj mot tuggummi, mer än 20, 000 klossar av kladdiga saker togs bort från en plats på Times Square [källa:Stead].
Ett brittiskt baserat polymerföretag-Revolymer-arbetar för att göra detta problem till ett minne blott. Dess forskare har skapat ett revolutionerande tuggummi, Rev7, som enkelt kan tas bort från en rad ytor, inklusive asfalterade trottoarer, mattor, textilier och kläder. För att ge Rev7 dess nonstick -egenskaper, Företaget lägger till en kemikalie till tandköttsbasen som är både hydrofil (vattenälskande) och hydrofob (vattenhatande eller oljeälskande). Polymerens affinitet för olja gör tandköttet mjukt och smidigt, men dess attraktion mot vatten betyder att tandköttet alltid har en vattenfilm runt sig, även om det inte finns i någons mun. Det är denna vattenfilm som gör att någon kan skala Rev7 bort från vilken yta som helst.
Inte för att detta ger dig en ursäkt för att spotta ut tandköttet var och när du vill. Fröken Manners föreslår att allt tuggummi, även den friktionslösa typen, ska kasseras på rätt sätt.
Vill du simma som en haj? Då måste du ha skinn som en haj. Det verkar omöjligt, men om du tar på dig en högteknologisk bodysuit, som LZR Racer från Speedo, då är du ett steg närmare. Dräkten använder polyuretanpaneler för att fånga luft och komprimera kroppen för att öka flytkostym och minska drag. Men det är bara början. Tyget på LZR Racer är belagt med hydrofoba nanopartiklar som faktiskt stöter bort vatten och minskar friktionen längs simmarens kropp. Efter att sådana kläder infördes strax före OS 2000 i Sydney, Australien, tävlande simmare slog många världsrekord, vilket leder till deras slutliga förbud vid OS 2012 i London [källa:Dorey].
Så småningom, ännu bättre dräkter kan vara möjliga - och de kan mer och mer likna riktiga hajskalor, som är ribbade med längsgående spår. Denna grova yta minskar virvelbildning längs kroppen av en simhaj, låta dem glida genom vattnet som en nästan friktionslös missil. Speedo fortsätter att experimentera med hajinspirerade texturer för att främja utformningen av sina baddräkter, även om olympiska idrottare aldrig kommer att få bära dem i tävling. Det borde inte stoppa dig, dock, från att glida in i en andra hud och blåsa bort tävlingen i den lokala poolen.
Kom ihåg Clark W. Griswold från National Lampoons "Christmas Vacation":"This is the new non-caloric, kiselbaserat kökssmörjmedel som mitt företag har arbetat med. Det skapar en yta 500 gånger mer halt än någon matolja. "Clark gnuggar smörjmedlet på sin fat-släde och fortsätter att skjuta ner en snöig kulle som en prat ur helvetet. Vi letade efter liknande, om än lite mindre galet, lösningar för att avrunda den här artikeln.