10 usi folli per superfici completamente prive di attrito

"Assumiamo una superficie completamente priva di attrito." Quante volte abbiamo visto questa affermazione durante la nostra lezione di fisica al liceo? E quante volte ci siamo chiesti perché i nostri insegnanti fossero così ansiosi di farci vivere in un mondo fantastico? Ora, grazie a un gruppo di scienziati noti come tribologi , la prospettiva di eliminare l'attrito tra due superfici interagenti sta rapidamente diventando realtà.

Viene fatto anche in modi interessanti. Ad esempio, un team di ricercatori dell'Università di Harvard ha studiato le foglie della pianta carnivora carnivora, che presentano creste microscopiche che intrappolano uno strato di nettare liquido tra di loro. La superficie è così scivolosa che gli insetti che atterrano sulle foglie scivolano via e cadono in profondi sacchetti a forma di brocca, dove gli enzimi li divorano. Tornati in laboratorio, i ricercatori hanno duplicato il pendio scivoloso della pianta brocca creando una rete casuale di nanopost idrorepellenti e nanofibre rivestite di teflon e poi immergendoli in un liquido ricco di fluoro. Il liquido ha formato uno strato tra le nanostrutture, impedendo all'acqua e ad altri materiali di fluire tra di loro e creando una superficie quasi antiaderente.

Cosa possono fare per te le superfici senza attrito? Bene, abbiamo tutti capovolto alcune uova su padelle antiaderenti , ma questa è solo la punta di un iceberg super scivoloso .

1. Superfici resistenti ai batteri
2. Bottiglie per condimenti antiaderenti
3. Sottomarini antiaderenti
4. Sistema di sbrinamento per aeroplani
5. Pareti che respingono i graffiti
6. Auto autopulenti
7. Tubi senza intasamento
8. Scafi di barche anti-cirripedi
9. Gomma antiaderente
10. Costumi da bagno in pelle di squalo

I biofilm - arazzi di microbi come batteri o funghi che crescono attaccati a un substrato solido - causano molti problemi agli operatori sanitari. Secondo il National Institutes of Health, la formazione di biofilm rappresenta il 65% di tutte le infezioni microbiche umane [fonte: Ames ]. Potresti pensare che una pulizia meticolosa sia la risposta al problema, ma i biofilm resistono ostinatamente allo strofinamento. Tendono anche a ignorare gli effetti degli antibiotici . La soluzione migliore consiste innanzitutto nell'impedire ai batteri di attaccarsi a un substrato. Ciao, superficie senza attrito!

Un biofilm inizia la sua vita quando alcuni microrganismi spensierati attraversano un piano di lavoro o uno strumento chirurgico e si attaccano, tramite molecole di adesione appiccicosa o strutture note come pili . Una volta attaccato, questo piccolo gruppo di cellule secerne una sostanza polimerica extracellulare , o EPS , che agisce come cemento per mantenere le cellule - e la loro progenie - permanentemente in posizione. Ma se puoi interrompere il processo di attaccamento, puoi impedire la formazione del biofilm.

Questo è esattamente ciò che ha fatto un team di scienziati dell'Università di Nottingham nel Regno Unito. Rivestendo le superfici di laboratorio e i dispositivi medici come i cateteri con un polimero acrilato simile a quelli utilizzati nell'industria della plastica, i ricercatori sono stati in grado di impedire ai batteri pionieri di prendere piede. Il risultato: hanno riscontrato una riduzione del 97% della copertura del batterio Staphylococcus aureus [fonte: Ames ].

Negli anni '70, Heinz ha costruito un'intera campagna pubblicitaria attorno al suo ketchup super denso e amichevole. La campagna ha preso in prestito il successo di Carly Simon "Anticipation" e ha esaltato le virtù di un "gusto che vale la pena aspettare".

Apparentemente, l'industria della ristorazione non pensa che lo spreco valga la pena aspettare. Ketchup, senape, maionese e salsa barbecue che non possono essere estratti dalle bottiglie significano una perdita di entrate per i proprietari di ristoranti e le famiglie che cercano di allungare i loro budget per la spesa. Circa 1 milione di libbre (453.592 chilogrammi) di salse e condimenti incollati vengono buttati via ogni anno in tutto il mondo, secondo il Varanasi Research Group, un team di ingegneri meccanici e nanotecnologi del Massachusetts Institute of Technology. Poi c'è il problema del tappo grande necessario per estrarre i condimenti dalle bottiglie a compressione. Eliminare la necessità di un tappo così grande ridurrebbe la quantità di plastica contenuta in una singola bottiglia, che potrebbe mantenere 25.000 tonnellate di prodotti a base di petrolio fuori dal flusso dei rifiuti ogni anno [fonte: LiquiGlide ].

Lo stesso team del MIT pazzo di condimenti ha una soluzione: rivestire l'interno delle bottiglie con un materiale unico che impedisce a ketchup, maionese o qualsiasi altro tipo di salsa di attaccarsi alla superficie. La maggior parte dei rivestimenti simili contiene nanolubrificanti che potresti non voler ingerire, ma la gente di Cambridge ha sviluppato un materiale sicuro per gli alimenti che dicono sia completamente insapore e non tossico. Lo chiamano LiquiGlide e lo descrivono come un "liquido strutturato" -- rigido come un solido, ma scivoloso come un liquido. Spalma l'interno di una bottiglia di condimento con LiquiGlide e il contenuto scivola fuori come, beh, la cacca di un'oca.

Gli ingegneri sono ossessionati dalla progettazione dei sottomarini da oltre 200 anni, ma non sono stati in grado di eliminare uno dei suoi problemi più fastidiosi: la resistenza all'attrito , una forza che si oppone al movimento in avanti quando l'acqua si attacca alla superficie dello scafo esterno. Secondo alcune stime, questo "attrito della pelle" rappresenta circa il 65 percento della resistenza dei sottomarini [fonte: Pike ].

Una soluzione? Un sistema di espulsione dei polimeri. In un tale sistema, il polimero viene immagazzinato in un serbatoio e quindi espulso attraverso una serie di porte mentre il sottomarino si muove. Il polimero scorre sulla superficie e riduce l'interazione delle molecole d'acqua con la superficie. Sfortunatamente, il sistema aumenta anche il peso della nave.

Ora gli scienziati potrebbero avere un trucco migliore: rivestire i sottomarini con una superficie antiaderente realizzata con una nanotecnologia rivoluzionaria. Il materiale non sembra straordinariamente speciale ad occhio nudo. Ma se lo guardi al microscopio, vedi che contiene minuscoli aghi distanziati di appena un paio di milionesimi di metro l'uno dall'altro. Gli aghi poggiano, come uno strato d'erba, su una superficie di teflon. Quando l'acqua colpisce il materiale, incontra aria intrappolata negli spazi tra gli aghi. E questo rende il materiale estremamente scivoloso: il 99% meno appiccicoso di una normale superficie in teflon senza aghi di dimensioni nanometriche [fonte: BBC News ].

Submarines coated in the nanotechnology would have far less friction drag and would require less fuel to propel them. And, yep, a raincoat made from the same material would protect you far better than the most expensive London Fog trench coat.

Airplane wings provide a significant amount of lift -- as long as they maintain their factory shape. Coat a wing with even a thin layer of snow or ice, however, and you disrupt its ability to keep a plane in the air. In fact, by some estimates, ice buildup can reduce lift by as much as 25 percent, which is why ground and flight crews worry so much about deicing during wintertime air travel [source: Kaydee].

The tried-and-true method to remove ice involves a three-step strategy. During the first step, deicing, airport ground crews spray a hot solution of glycol and water on an airplane's wings. This melts existing ice but does little to prevent new ice from forming. Accomplishing this requires an anti-icing step and a second type of fluid, which contains more glycol and an additional additive to make it cling to the wing surface during takeoff. Once an aircraft reaches its cruising altitude, liquids become less effective in the fight against frozen precipitation. Jet pilots solve the problem by diverting some heat from the engines to piping in the wings. Pilots of propeller-driven planes rely on rubber boots that inflate and deflate to knock ice from the wings and tail.

But what if you could build a plane with a surface so smooth that ice fails to form in the first place? Several types of nanotechnology may soon make this a reality. Scientists from GE Global Research have developed a nanotextured, superhydrophobic (or water-repellent) coating that dramatically reduces ice adhesion on wing surfaces. And a team at North Carolina State University is experimenting with a nonstick polymer that works together with an elastic substrate. The polymer gets applied to the substrate when the elastic material is stretched slightly. When the tension is relieved, the substrate pulls the polymer molecules together into a superdense configuration. Airplane wings coated with the friction-free polymers resist being coated by anything -- even ice.

It's unlikely that graffiti artists will appear on the FBI's Ten Most Wanted Fugitives list, but cities and municipalities take this particular kind of vandalism very seriously. Chicago spent $4.1 million in 2012 on its anti-graffiti program and, in 2011, removed 137,459 instances of spray-painted artwork from bridges, buildings and signs [source: Novak]. In Los Angeles, the problem -- and the necessary budget to address it -- is even bigger. That's a lot of money and man power that could be directed to other social services and city programs.

Le squadre di pulizia dei graffiti utilizzano una varietà di tecniche per spazzare via le opere d'arte illecite: sovraverniciatura, rimozione di sostanze chimiche e lavaggio elettrico. Sfortunatamente, alcuni di questi metodi possono produrre un pugno nell'occhio più grande del vandalismo stesso. Entra nel muro che respinge i graffiti, che presenta un materiale antiaderenteche resiste all'adesione della vernice o ne facilita la rimozione perché la vernice non interagisce con la superficie protetta. Gli scienziati hanno modellato uno di questi materiali per imitare le foglie del fiore di loto. La superficie di queste foglie porta un'intricata serie di creste microscopiche ricoperte di cera. Le creste intrappolano l'aria tra di loro e, di conseguenza, l'acqua che cade sulla foglia forma singole goccioline che semplicemente rotolano via. Un muro o un'insegna rivestiti con un materiale del genere - una nanostruttura costruita in laboratorio ma ispirata dalla natura - sventerebbe gli artisti dei graffiti e probabilmente renderebbe i sindaci delle città molto, molto felici.

Alcune persone adorano lavare le loro auto, ma molte persone apprezzerebbero avere l'aspetto fresco dallo showroom senza tutto lo sforzo. E non dimenticare l'impatto ambientale dell'autolavaggio , che drena le riserve idriche e riversa le sostanze inquinanti nelle zone umide in via di estinzione. Se solo le nostre auto si pulissero da sole.

Grazie ad alcuni ricercatori della Eindhoven University of Technology nei Paesi Bassi, potremmo essere più vicini a una Prius perennemente lucidata. Gli scienziati non hanno inventato una nanotecnologia nuova di zecca. Invece, hanno preso un prodotto resistente all'acqua esistente, già in uso su alcuni veicoli, e lo hanno migliorato. Il rivestimento originale ha funzionato perché è stato incorporato con nanocapsule nella sua superficie. Quelle minuscole capsule respingevano l'acqua e contenevano detergenti o goccioline di vernice in modo che quando si rompevano, ad esempio per un graffio di chiave, rilasciavano il loro contenuto e "guarivavano" l'imperfezione. Sfortunatamente, le capsule avevano una durata di conservazione limitata. Per estendere le proprietà autopulenti/cicatrizzanti del rivestimento, gli scienziati olandesi hanno ridisegnato la sua nanostruttura in modo che le capsule risiedano sugli steli. Quando una combinazione capsula/stelo viene disturbata, un altro stelo sottostante si solleva e si orienta verso la superficie per ripristinare la finitura di fabbrica.

Le auto armate con questo nuovo rivestimento richiederanno poco più di una buona pioggia per lavare via lo sporco e la sporcizia. E gli escrementi di uccelli schizzati sulla tua porta o sul cofano potrebbero appartenere al passato.

I rivenditori non sono le uniche persone che aspettano con ansia il giorno dopo il Ringraziamento . Apparentemente, anche gli idraulici adorano il Black Friday , che, secondo almeno una fonte, è il momento migliore per i tubi intasati in bagno e in cucina [fonte: Henkenius ]. Mentre quella particolare relazione sembra un po' misteriosa (sebbene siamo sicuri che lo zio Fred abbia qualcosa a che fare con essa), i come ei perché degli zoccoli sono noti da anni. Iniziano quando una piccola quantità di detriti si aggrappa all'interno di un tubo e quindi funge da nucleo su cui si raccoglie altro materiale. Ad esempio, se svuoti il ​​grasso nel lavello della cucina, il grasso si attacca ai lati del tubo e le particelle di cibo si attaccano al grasso. Man mano che l'ostruzione cresce nel tempo, l'acqua torna dietro il blocco.

Nella casa del futuro, tutti i tubi saranno rivestiti con un rivestimento privo di attrito. Ciò impedirà ai detriti di attaccarsi e dovrebbe rendere gli zoccoli praticamente inesistenti. Molte imprese commerciali hanno già investito in una tecnologia simile. I produttori di sostanze chimiche, ad esempio, utilizzano comunemente tubi rivestiti con politetrafluoroetilene o PTFE. Potresti riconoscere il PTFE dal suo marchio più comune: Teflon, lo stesso materiale che riveste pentole e padelle antiaderenti. Se utilizzato in tubi e tubazioni, il PTFE previene incrostazioni e ostruzioni. Inoltre, riduce al minimo la resistenza ai fluidi, il che rende gli ambienti di produzione molto più efficienti.

Finché non riuscirai a portare a casa tubi rivestiti di teflon, potrebbe essere meglio mandare lo zio Fred a fare i bagagli. Oppure fai scorta di stantuffi e detergenti per scarichi chimici.

A meno che tu non possieda una nave marittima, probabilmente non perdi molto sonno a causa dei cirripedi. Ma per le marine, i porti turistici e i pescherecci commerciali , è una seria preoccupazione. Uno studio del 2011 condotto dai ricercatori dell'Accademia navale degli Stati Uniti ha scoperto che il biofouling - questo è il termine di fantasia usato per descrivere cosa succede quando i piccoli crostacei di acqua salata aderiscono a uno scafo o a un'elica e riducono l'efficienza della nave - costa alla Marina 56 milioni di dollari per anno o $ 1 miliardo in 15 anni [fonte: Schultz ]. E questo è solo per una classe di navi: i cacciatorpediniere lanciamissili di classe Arleigh Burke .

La maggior parte di questi costi comporta un processo di pulizia e verniciatura che esiste da secoli. Per prima cosa, la nave viene messa in bacino di carenaggio, quindi gli operai raschiano i cirripedi dallo scafo e dalle pale dell'elica. Infine, trattano le superfici esposte con vernici contenenti stagno o rame. I metalli nella vernice sono tossici per le larve di cirripedi, impedendo loro di stabilirsi e trovare una casa permanente. Ma la vernice svanisce nel tempo, il che significa che le navi devono essere pulite ripetutamente nel corso della loro vita.

Fortunatamente, gli scienziati hanno trovato quello che potrebbe essere un approccio migliore. Dopo aver appreso che i cirripedi preferiscono le superfici lisce, hanno creato un materiale microstrutturato contenente piccoli picchi e valli di dimensioni comprese tra 1 e 100 micrometri. Quindi hanno esposto il materiale all'acqua di mare piena di cirripedi per misurare la quantità di attaccamento avvenuto. Hanno scoperto che quando la topografia della struttura della superficie è rimasta nell'intervallo da 30 a 45 micrometri, l'insediamento e l'attaccamento dei cirripedi sono stati ridotti del 92% rispetto alle superfici lisce [fonte: Berntsson ]. La ricerca potrebbe portare alla prima nave antiaderente del futuro.

Se sei un amante delle gomme da masticare, specialmente uno che vive nella giungla di cemento di qualsiasi grande città, mastica questo: ogni volta che sputi un pezzo di roba appiccicosa per terra, finisci per pagarlo sotto forma di le tasse. Esatto, raschiare la gomma scartata dai marciapiedi e dalle strade richiede prodotti chimici, pulitori a vapore, idropulitrici e operatori per fare il lavoro sporco. A Charleston, SC, la città spende $ 200 al mese solo per mantenere tre poli dei servizi pubblici nel distretto del mercato cittadino liberi da borre ribelli. E a Ocean City, Maryland, due dipendenti della città trascorrono tre settimane ogni autunno a pulire i marciapiedi in un'area di 14 isolati vicino al lungomare [fonte: Bryant]. Non è nemmeno un problema nuovo. Nel 1939, come parte della campagna del sindaco La Guardia contro le gomme da masticare, più di 20.000 mazzette di roba appiccicosa furono rimosse da un punto a Times Square [fonte: Stead ].

Una società di polimeri con sede nel Regno Unito, Revolymer, sta lavorando per rendere questo particolare problema un ricordo del passato. I suoi scienziati hanno creato una gomma rivoluzionaria, Rev7, che può essere facilmente rimossa da una vasta gamma di superfici, inclusi marciapiedi lastricati, tappeti, tessuti e abbigliamento. Per conferire a Rev7 le sue proprietà antiaderenti, l'azienda aggiunge una sostanza chimica alla base della gomma che è sia idrofila (amante dell'acqua) che idrofobica (che odia l'acqua o ama l'olio). L'affinità del polimero per l'olio rende la gomma morbida e flessibile, ma la sua attrazione per l'acqua significa che la gomma ha sempre un velo d'acqua intorno, anche quando non è nella bocca di qualcuno. È questo film d'acqua che consente a qualcuno di staccare Rev7 da qualsiasi superficie.

Non che questo ti dia una scusa per sputare la gomma dove e quando vuoi. La signorina Manners suggerisce che tutte le gomme, anche quelle senza attrito, dovrebbero essere smaltite correttamente.

Vuoi nuotare come uno squalo? Allora devi avere la pelle di uno squalo . Sembra impossibile, ma se indossi un body high-tech, come l'LZR Racer di Speedo, sei un passo più vicino. La muta utilizza pannelli in poliuretano per intrappolare l'aria e comprimere il corpo per aumentare la galleggiabilità della muta e ridurre la resistenza. Ma questo è solo l'inizio. Il tessuto dell'LZR Racer è rivestito con nanoparticelle idrofobiche che respingono l'acqua e riducono l'attrito lungo il corpo del nuotatore. Dopo che tali tute sono state introdotte poco prima delle Olimpiadi del 2000 a Sydney, in Australia, i nuotatori competitivi hanno continuato a battere molti record mondiali , portando al loro eventuale divieto alle Olimpiadi di Londra 2012 [fonte: Dorey ].

Alla fine, potrebbero essere possibili abiti ancora migliori - e potrebbero sembrare sempre più simili a vere scaglie di squalo, che sono nervate con scanalature longitudinali. Questa superficie ruvida riduce la formazione di vortici lungo il corpo di uno squalo nuotatore, consentendo loro di scivolare attraverso l'acqua come un missile quasi privo di attrito. Speedo continua a sperimentare trame ispirate agli squali per migliorare il design dei suoi costumi da bagno, anche se gli atleti olimpici non li indosseranno mai in competizione. Ciò non dovrebbe impedirti, tuttavia, di scivolare in una seconda pelle e spazzare via la concorrenza nella piscina locale.

Nota dell'autore: 10 usi folli per superfici completamente "senza attrito".

Ricorda Clark W. Griswold di "Christmas Vacation" di National Lampoon: "Questo è il nuovo lubrificante da cucina non calorico a base di silicio su cui la mia azienda ha lavorato. Crea una superficie 500 volte più scivolosa di qualsiasi olio da cucina". Clark strofina il lubrificante sulla sua slitta e procede a razzo giù da una collina innevata come un idiota uscito dall'inferno. Stavamo cercando soluzioni simili, anche se un po' meno stravaganti, per completare questo articolo.

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