Новости химической науки > Спирт как топливо для лодки Марангони

Исследователи из Финляндии и Израиля разработали небольшую автономную «лодку», которая приводится в движение летучим поверхностно-активным веществом. ПАВ изменяет поверхностное натяжение жидкости, на котором плавает эта «лодка», при этом создается градиент поверхностного натяжения, который толкает «лодку» вперед.

Движение, вызванное градиентом поверхностного натяжения, называется движением Марангони (Marangoni propulsion). В природе такое движение используется небольшими организмами, например представителями небольших обитающих в воде насекомых рода Microvelia, которые с его помощью набирают скорость для того, чтобы ускользать от хищников. Для искусственных систем эффект Марангони использовался для создания небольших «кафорных лодок» и «мыльных лодок»; однако эти системы за счет изменения поверхностного натяжения могут двигаться лишь недолгое время, или для увеличения эффективности, такие лодки должны быть заключены в каналы определенной формы.

Мембрана приводится в движение парами топлива. (Рисунок из Chem. Sci., 2012, DOI: 10.1039/c2sc20355c)

Для создания долговременной движущейся системы на основе эффекта Марангони исследователи под руководством Робина Раса (Robin Ras) из Университета Аалто сконструировали самодвижущуюся «лодку» из сверхлегкой мембраны, полученной из аэрогеля наноцеллюлозы. Мембрана непроницаема для воды (и неполярных систем), однако газообразные ПАВ могут проходить сквозь нее. В качестве топлива, приводящего в движение «лодку» исследователи использовали этанол.

Этанол располагается в резервуаре на «корме лодки», по мере испарения этанол диффундирует через мембрану, понижая поверхностное натяжение воды «за кормой», в результате чего градиент поверхностного натяжения способствует поступательному движению лодки. Поскольку лодка не управляема, обычно она движется по кругу. После прохода лодки этанол на поверхности воды может испариться, в результате чего восстанавливается нормальное поверхностное натяжение воды, для модификации которого требуется лишь небольшое количество летучего ПАВ.

По словам Раса, «лодка» находилась в движении в течение 54 минут со скоростью 2 см/с, используя всего лишь 25 микролитров топлива, что, как говорят исследователи, является достаточно эффективным расходом. Для демонстрации того, что разработанная система может двигаться не только по поверхности воды, исследователи показали, что лодка Марагони точно также может двигаться и по поверхности пентана.

Леннарт Пикулелл (Lennart Piculell), эксперт по физической химии из Университета Лунд (Швеция) говорит, что работа Раса является прекрасной иллюстрацией разумного подхода к наукам о материалах – для создания высокоэффективной самодвижущейся системы были скомбинированы инновационные материалы и фундаментальная информация о поверхностном натяжении. Пикулелл заявляет, что пока не видит непосредственной возможности применения новой системы, но простота концепции ее создания со временем поможет создать другие системы, которые смогут оказаться практически полезными.

Источник: Chem. Sci., 2012, DOI: 10.1039/c2sc20355c

метки статьи: #межмолекулярные взаимодействия, #физическая химия