10 verrückte Anwendungen für völlig reibungsfreie Oberflächen

"Gehen Sie von einer völlig reibungsfreien Oberfläche aus." Wie oft haben wir diese Aussage in unserem Physikunterricht an der High School gesehen? Und wie oft haben wir uns gefragt, warum unsere Lehrer so darauf aus waren, uns in einer Fantasiewelt leben zu lassen? Dank einer Gruppe von Wissenschaftlern, die als Tribologen bekannt sind, wird die Aussicht, die Reibung zwischen zwei interagierenden Oberflächen zu beseitigen, schnell Wirklichkeit.

Es wird auch auf interessante Weise gemacht. Beispielsweise untersuchte ein Forscherteam der Harvard University die Blätter der fleischfressenden Kannenpflanze, die mikroskopisch kleine Rippen aufweisen, die eine Schicht flüssigen Nektars zwischen sich einschließen. Die Oberfläche ist so rutschig, dass Insekten, die auf den Blättern landen, abrutschen und in tiefe, krugförmige Taschen fallen, wo Enzyme sie verschlingen. Zurück im Labor ahmten die Forscher die rutschige Piste der Kannenpflanze nach, indem sie ein zufälliges Netzwerk aus wasserabweisenden Nanopfosten und teflonbeschichteten Nanofasern schufen und sie dann in einer fluorreichen Flüssigkeit eintauchten. Die Flüssigkeit bildete eine Schicht zwischen den Nanostrukturen, die verhinderte, dass Wasser und andere Materialien dazwischen flossen, und erzeugte eine nahezu nicht haftende Oberfläche.

Was können reibungslose Oberflächen für Sie tun? Nun, wir alle haben schon ein paar Eier in Antihaft-Pfannen gewendet , aber das ist nur die Spitze eines superglatten Eisbergs .

1. Bakterienresistente Oberflächen
2. Gewürzflaschen mit Antihaftbeschichtung
3. U-Boote mit Antihaftbeschichtung
4. Enteisungssystem für Flugzeuge
5. Graffiti-abweisende Wände
6. Selbstreinigende Autos
7. Verstopfungsfreie Rohre
8. Anti-Entenmuschel-Bootsrümpfe
9. Antihaft-Kaugummi
10. Haifischhaut-Badeanzüge

Biofilme – Ansammlungen von Mikroben wie Bakterien oder Pilzen, die an einem festen Substrat wachsen – bereiten Gesundheitsdienstleistern viele Probleme. Nach Angaben der National Institutes of Health ist die Biofilmbildung für 65 Prozent aller menschlichen mikrobiellen Infektionen verantwortlich [Quelle: Ames ]. Man könnte meinen, dass eine sorgfältige Reinigung die Lösung des Problems ist, aber Biofilme widersetzen sich hartnäckig dem Schrubben. Sie neigen auch dazu, die Wirkung von Antibiotika abzutun . Die bessere Lösung besteht darin, Bakterien von vornherein daran zu hindern, sich an einem Substrat festzusetzen. Hallo, reibungslose Oberfläche!

Ein Biofilm beginnt sein Leben, wenn ein paar sorglose Mikroorganismen an einer Arbeitsplatte oder einem chirurgischen Instrument vorbeiziehen und haften bleiben, entweder durch klebrige Adhäsionsmoleküle oder als Pili bekannte Strukturen . Einmal angeheftet, scheidet diese kleine Gruppe von Zellen eine extrazelluläre polymere Substanz oder EPS aus, die wie Zement wirkt, um die Zellen – und ihre Nachkommen – dauerhaft an Ort und Stelle zu halten. Aber wenn Sie den Anhaftungsprozess unterbrechen können, können Sie die Bildung des Biofilms verhindern.

Genau das hat ein Team von Wissenschaftlern der University of Nottingham in Großbritannien getan. Durch die Beschichtung von Laboroberflächen und medizinischen Geräten wie Kathetern mit einem Acrylat-Polymer, ähnlich wie es in der Kunststoffindustrie verwendet wird, konnten die Forscher verhindern, dass Bakterien-Wegbereiter Fuß fassen. Das Ergebnis: Sie fanden eine 97-prozentige Reduzierung der Abdeckung des Bakteriums Staphylococcus aureus [Quelle: Ames ].

In den 1970er Jahren baute Heinz eine ganze Werbekampagne um seinen superdicken, reibungsfreundlichen Ketchup auf. Die Kampagne borgte sich Carly Simons Hit „Anticipation“ aus und pries die Tugenden eines „Geschmacks, der das Warten wert ist“.

Anscheinend glaubt die Gastronomiebranche, dass die Verschwendung das Warten nicht wert ist. Ketchup, Senf, Mayonnaise und Barbecue-Sauce, die nicht aus Flaschen gelockt werden können, bedeuten entgangene Einnahmen für Restaurantbesitzer und Familien, die versuchen, ihr Lebensmittelbudget zu strecken. Laut der Varanasi Research Group, einem Team aus Maschinenbauingenieuren und Nanotechnologen am Massachusetts Institute of Technology, werden jedes Jahr weltweit etwa 1 Million Pfund (453.592 Kilogramm) angeklebte Saucen und Dressings weggeworfen. Dann ist da noch das Problem der großen Kappe, die erforderlich ist, um Gewürze aus Squeeze-Flaschen zu bekommen. Die Eliminierung der Notwendigkeit einer so großen Kappe würde reduzieren, wie viel Plastik in eine einzige Flasche gelangt, wodurch 25.000 Tonnen erdölbasierte Produkte jedes Jahr aus dem Abfallstrom herausgehalten werden könnten [Quelle: LiquiGlide ].

Das gleiche Gewürz-verrückte MIT-Team hat eine Lösung: Beschichten Sie die Innenseite von Flaschen mit einem einzigartigen Material, das verhindert, dass Ketchup, Mayonnaise oder jede andere Art von Soße an der Oberfläche haften bleibt. Die meisten ähnlichen Beschichtungen enthalten Nanogleitmittel, die Sie vielleicht nicht einnehmen möchten, aber die Leute aus Cambridge haben ein lebensmittelechtes Material entwickelt, von dem sie sagen, dass es völlig geschmacksneutral und ungiftig ist. Sie nennen es LiquiGlide und beschreiben es als „strukturierte Flüssigkeit“ – starr wie ein Feststoff, aber schlüpfrig wie eine Flüssigkeit. Schmieren Sie das Innere einer Gewürzflasche mit LiquiGlide und der Inhalt gleitet heraus wie, nun ja, Kot aus einer Gans.

Ingenieure beschäftigen sich seit mehr als 200 Jahren mit dem Design von U-Booten, aber sie konnten eines der ärgerlichsten Probleme nicht beseitigen – den Reibungswiderstand , eine Kraft, die der Vorwärtsbewegung entgegenwirkt, wenn Wasser an der Oberfläche der Außenhülle haftet. Nach einigen Schätzungen macht diese "Hautreibung" etwa 65 Prozent des Luftwiderstands von U -Booten aus [Quelle: Pike ].

Eine Lösung? Ein Polymerausstoßsystem. In einem solchen System wird Polymer in einem Tank gespeichert und dann durch eine Reihe von Öffnungen ausgestoßen, wenn sich das U-Boot bewegt. Das Polymer fließt über die Oberfläche und verringert die Wechselwirkung von Wassermolekülen mit der Oberfläche. Leider erhöht das System auch das Gewicht des Behälters.

Jetzt haben Wissenschaftler vielleicht einen besseren Trick: Beschichten Sie U-Boote mit einer Antihaft-Oberfläche, die aus einer revolutionären Nanotechnologie hergestellt wird. Das Material sieht mit bloßem Auge nicht außergewöhnlich besonders aus. Aber wenn Sie es unter einem Mikroskop betrachten, sehen Sie, dass es winzige Nadeln enthält, die nur ein paar Millionstel Meter voneinander entfernt sind. Die Nadeln ruhen wie eine Grasschicht auf einer Oberfläche aus Teflon. Wenn Wasser auf das Material trifft, trifft es auf Luft, die in den Zwischenräumen zwischen den Nadeln eingeschlossen ist. Und das macht das Material extrem rutschig – 99 Prozent weniger klebrig als eine normale Teflonoberfläche ohne die Nadeln in Nanogröße [Quelle: BBC News ].

Mit der Nanotechnologie beschichtete U-Boote hätten einen weitaus geringeren Reibungswiderstand und würden weniger Treibstoff benötigen, um sie anzutreiben. Und ja, ein Regenmantel aus dem gleichen Material würde Sie viel besser schützen als der teuerste Trenchcoat von London Fog.

Flugzeugflügel bieten einen erheblichen Auftrieb – solange sie ihre Fabrikform beibehalten. Beschichten Sie einen Flügel jedoch selbst mit einer dünnen Schnee- oder Eisschicht, und Sie stören seine Fähigkeit, ein Flugzeug in der Luft zu halten. Tatsächlich kann die Eisbildung nach einigen Schätzungen den Auftrieb um bis zu 25 Prozent reduzieren, weshalb sich Boden- und Flugbesatzungen so viele Gedanken über das Enteisen während des Winterflugs machen [Quelle: Kaydee ].

Die bewährte Methode zum Entfernen von Eis beinhaltet eine dreistufige Strategie. Beim ersten Schritt, dem Enteisen, sprüht das Bodenpersonal des Flughafens eine heiße Lösung aus Glykol und Wasser auf die Flügel eines Flugzeugs. Dies schmilzt vorhandenes Eis, verhindert aber wenig, dass sich neues Eis bildet. Um dies zu erreichen, sind ein Anti-Icing-Schritt und eine zweite Art von Flüssigkeit erforderlich, die mehr Glykol und ein zusätzliches Additiv enthält, damit es während des Starts an der Flügeloberfläche haftet. Sobald ein Flugzeug seine Reiseflughöhe erreicht hat, werden Flüssigkeiten im Kampf gegen gefrorenen Niederschlag weniger effektiv. Jet-Piloten lösen das Problem, indem sie einen Teil der Wärme von den Triebwerken zu Rohren in den Flügeln umleiten. Piloten von Propellerflugzeugen verlassen sich auf Gummistiefel, die sich aufblasen und entleeren, um Eis von den Flügeln und dem Heck zu entfernen.

Aber was wäre, wenn Sie ein Flugzeug bauen könnten, dessen Oberfläche so glatt ist, dass sich gar kein Eis bildet? Mehrere Arten von Nanotechnologie könnten dies bald Wirklichkeit werden lassen. Wissenschaftler von GE Global Research haben eine nanostrukturierte, superhydrophobe (oder wasserabweisende) Beschichtung entwickelt, die die Eishaftung auf Flügeloberflächen drastisch reduziert. Und ein Team an der North Carolina State University experimentiert mit einem Antihaft-Polymer, das mit einem elastischen Substrat zusammenarbeitet. Das Polymer wird auf das Substrat aufgetragen, wenn das elastische Material leicht gedehnt wird. Wenn die Spannung nachgelassen wird, zieht das Substrat die Polymermoleküle zu einer superdichten Konfiguration zusammen. Flugzeugflügel, die mit den reibungsfreien Polymeren beschichtet sind, widerstehen jeder Beschichtung – sogar Eis.

Es ist unwahrscheinlich, dass Graffiti-Künstler auf der Liste der zehn meistgesuchten Flüchtlinge des FBI erscheinen, aber Städte und Gemeinden nehmen diese besondere Art von Vandalismus sehr ernst. Chicago gab 2012 4,1 Millionen Dollar für sein Anti-Graffiti-Programm aus und entfernte 2011 137.459 Fälle von gesprühten Kunstwerken von Brücken, Gebäuden und Schildern [Quelle: Novak ]. In Los Angeles ist das Problem – und das notwendige Budget, um es anzugehen – noch größer. Das ist eine Menge Geld und Arbeitskraft, die in andere soziale Dienste und städtische Programme gesteckt werden könnten.

Graffiti-Reinigungsteams verwenden eine Vielzahl von Techniken, um illegale Kunstwerke zu entfernen – Übermalen, chemische Entfernung und Hochdruckreinigung. Leider können einige dieser Methoden einen größeren Schandfleck hervorrufen als der Vandalismus selbst. Betreten Sie die graffitiabweisende Wand, die mit einem Antihaftmaterial ausgestattet istdas entweder der Lackhaftung widersteht oder das Entfernen viel einfacher macht, da die Farbe nicht mit der geschützten Oberfläche interagiert. Wissenschaftler haben ein solches Material hergestellt, das die Blätter der Lotusblume nachahmt. Die Oberfläche dieser Blätter trägt eine komplizierte Anordnung mikroskopisch kleiner Grate, die mit Wachs überzogen sind. Die Grate schließen Luft zwischen sich ein, wodurch auf das Blatt fallendes Wasser einzelne Tropfen bildet, die einfach abperlen. Eine Wand oder ein Schild, das mit einem solchen Material beschichtet ist – eine Nanostruktur, die im Labor gebaut, aber von der Natur inspiriert wurde – würde Graffiti-Künstlern einen Strich durch die Rechnung machen und wahrscheinlich Bürgermeister sehr, sehr glücklich machen.

Manche Leute lieben es, ihre Autos zu waschen, aber viele Leute würden es begrüßen, wenn sie ohne all den Aufwand den Look frisch aus dem Ausstellungsraum hätten. Und vergessen Sie nicht die Umweltauswirkungen der Autowäsche , die Wasserreserven entleert und Schadstoffe in gefährdete Feuchtgebiete verschüttet. Wenn sich unsere Autos nur selbst reinigen würden.

Dank einiger Forscher an der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden sind wir vielleicht näher an einem ewig polierten Prius. Die Wissenschaftler haben keine brandneue Nanotechnologie erfunden. Stattdessen nahmen sie ein vorhandenes wasserfestes Produkt, das bereits in einigen Fahrzeugen verwendet wird, und verbesserten es. Die ursprüngliche Beschichtung funktionierte, weil sie mit Nanokapseln in ihrer Oberfläche eingebettet war. Diese winzigen Kapseln wiesen sowohl Wasser ab als auch Reinigungsmittel oder Farbtröpfchen, so dass sie, wenn sie beispielsweise durch einen Schlüsselkratzer zerrissen wurden, ihren Inhalt freisetzten und den Makel „heilten“. Leider waren die Kapseln nur begrenzt haltbar. Um die selbstreinigenden/heilenden Eigenschaften der Beschichtung zu erweitern, haben die niederländischen Wissenschaftler ihre Nanostruktur so umgestaltet, dass die Kapseln auf Stielen sitzen. Wenn eine Kapsel-Stiel-Kombination gestört wird, erhebt sich ein anderer darunterliegender Stiel und richtet sich an der Oberfläche aus, um die werkseitige Oberflächenbeschaffenheit wiederherzustellen.

Cars armed with this new coating will require little more than a good rain to wash away dirt and grime. And bird droppings splashed across your door or hood may be a thing of the past.

Retailers aren't the only people who look forward to the day after Thanksgiving . Apparently, plumbers also love Black Friday , which, according to at least one source, is prime time for clogged pipes in the bathroom and kitchen [source: Henkenius]. While that peculiar relationship seems a bit mysterious (although we're sure Uncle Fred has something to do with it), the hows and whys of clogs have been known for years. They begin when a small amount of debris clings to the inside of a pipe and then acts as a nucleus upon which other material collects. For example, if you empty grease into the kitchen sink, grease sticks to the sides of the pipe and food particles stick to the grease. As the obstruction grows over time, water backs up behind the blockage.

In the house of the future, all pipes will be lined with a frictionless coating. This will prevent debris from sticking and should make clogs practically nonexistent. Many commercial enterprises have already invested in similar technology. Chemical manufacturers, for example, commonly use tubing lined with polytetrafluoroethylene, or PTFE. You may recognize PTFE by its more common brand name -- Teflon, the same material coating your nonstick pots and pans. When used in pipes and tubing, PTFE prevents fouling and clogs. It also minimizes fluid resistance, which makes manufacturing environments much more efficient.

Until you can get Teflon-lined pipes in your house, it may be best to send Uncle Fred packing. Or stock up on plungers and chemical drain cleaners.

Unless you own a seafaring vessel, you probably don't lose much sleep over barnacles. But for navies, marinas and commercial fishing boats , it's a serious concern. A 2011 study conducted by researchers at the United States Naval Academy found that biofouling -- that's the fancy term used to describe what happens when the small saltwater crustaceans adhere to a hull or propeller and decrease the vessel's efficiency -- costs the Navy $56 million per year or $1 billion over 15 years [source: Schultz]. And that's just for one class of ships -- the Arleigh Burke-class guided missile destroyers .

Most of those costs involve a cleaning and painting process that's been around for centuries. First, the ship is placed in dry dock, then workers scrape the barnacles from the hull and propeller blades. Finally, they treat exposed surfaces with paint containing tin or copper. The metals in the paint are toxic to barnacle larvae, preventing them from settling down and finding a permanent home. But the paint wears off over time, which means ships must be cleaned repeatedly over their lifetimes.

Luckily, scientists have found what may be a better approach. After learning that barnacles prefer smooth surfaces, they created a micro-textured material containing tiny peaks and valleys ranging in size from 1 to 100 micrometers. Then they exposed the material to barnacle-filled seawater to measure how much attachment took place. They found that when the topography of the surface texture remained in the 30 to 45 micrometer range, barnacle settlement and attachment was reduced by 92 percent compared to smooth surfaces [source: Berntsson]. The research may lead to the first nonstick, barnacle-busting ship of the future.

If you're a gum lover, especially one who lives in the concrete jungle of any major city, chew on this: Every time you spit a piece of the gooey stuff onto the ground, you end up paying for it in the form of higher taxes. That's right, scraping discarded gum from sidewalks and streets requires chemicals, steam cleaners, power washers and operators to do the dirty work. In Charleston, S.C., the city spends $200 a month just to keep three utility poles in its City Market district free of wayward wads. And in Ocean City, Md., two city employees spend three weeks every fall cleaning the sidewalks in a 14-block area near the boardwalk [source: Bryant]. It's not a new problem, either. In 1939, as part of Mayor La Guardia's campaign against gum, more than 20,000 wads of sticky stuff were removed from one spot in Times Square [source: Stead].

One U.K.-based polymer company -- Revolymer -- is working to make this particular problem a thing of the past. Its scientists have created a revolutionary gum, Rev7, that can be easily removed from a range of surfaces, including paved sidewalks, carpets, textiles and clothing. To give Rev7 its nonstick properties, the company adds a chemical to the gum base that is both hydrophilic (water-loving) and hydrophobic (water-hating or oil-loving). The polymer's affinity for oil makes the gum soft and pliable, but its attraction to water means the gum always has a film of water around it, even when it's not in someone's mouth. It's this film of water that allows someone to peel Rev7 away from any surface.

Nicht, dass Ihnen das einen Vorwand gibt, Ihren Kaugummi auszuspucken, wo und wann immer Sie wollen. Miss Manners schlägt vor, dass alle Kaugummis, auch die glatten, ordnungsgemäß entsorgt werden sollten.

Willst du wie ein Hai schwimmen? Dann muss man Haut wie ein Hai haben . Das scheint unmöglich, aber wenn Sie einen Hightech-Body wie den LZR Racer von Speedo anziehen, dann sind Sie dem schon einen Schritt näher gekommen. Der Anzug verwendet Polyurethan-Einsätze, um Luft einzuschließen und den Körper zu komprimieren, um den Auftrieb des Anzugs zu erhöhen und den Luftwiderstand zu verringern. Aber das ist erst der Anfang. Das Gewebe des LZR Racer ist mit hydrophoben Nanopartikeln beschichtet, die Wasser tatsächlich abweisen und die Reibung am Körper des Schwimmers verringern. Nachdem solche Bodysuits kurz vor den Olympischen Spielen 2000 in Sydney, Australien, eingeführt wurden , brachen Wettkampfschwimmer viele Weltrekorde , was schließlich zu ihrem Verbot bei den Olympischen Spielen 2012 in London führte [Quelle: Dorey ].

Irgendwann könnten noch bessere Anzüge möglich sein – und sie könnten immer mehr wie echte Haifischschuppen aussehen, die mit Längsrillen gerippt sind. Diese raue Oberfläche reduziert die Wirbelbildung entlang des Körpers eines schwimmenden Hais und lässt ihn wie eine nahezu reibungsfreie Rakete durch das Wasser gleiten. Speedo experimentiert weiterhin mit von Haien inspirierten Texturen, um das Design seiner Badeanzüge voranzutreiben, auch wenn olympische Athleten sie niemals bei Wettkämpfen tragen werden. Das sollte Sie jedoch nicht davon abhalten, in eine zweite Haut zu schlüpfen und die Konkurrenz im heimischen Pool umzuhauen.

Anmerkung des Autors: 10 verrückte Anwendungen für vollständig „reibungslose“ Oberflächen

Erinnern Sie sich an Clark W. Griswold aus „Christmas Vacation“ von National Lampoon: „Dies ist das neue kalorienfreie Küchenschmiermittel auf Silikonbasis, an dem meine Firma gearbeitet hat. Clark reibt das Gleitmittel auf seinem Untertassenschlitten und fährt fort, wie ein Idiot aus der Hölle einen schneebedeckten Hügel hinunterzurasen. Wir haben nach ähnlichen, wenn auch etwas weniger verrückten Lösungen gesucht, um diesen Artikel abzurunden.

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