Инженеры из Университета штата Северная Каролина используют машинное обучение и лазеры для создания сверхэластичных, водоотталкивающих материалов.
Исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали сверхэластичный материал, который отталкивает практически любую жидкость и выдерживает экстремальные деформации.
Вместо химического напыления для создания водоотталкивающей поверхности команда использовала лазерную абляцию, что позволило избежать применения агрессивных растворителей.
Материал сохраняет свои сверхъомнифобные свойства при растяжении до пяти раз по сравнению с первоначальной длиной и после более чем 5000 циклов растяжения-разжатия.
Это означает, что он может выдерживать многократные растяжения, изгибы и скручивания, не теряя при этом своей способности отталкивать жидкости.
«Суперомнифобные материалы способны отталкивать практически любую жидкость — например, чрезвычайно агрессивные кислоты, щелочи или растворители — так же хорошо, как и воду», — говорит Арун Кумар Кота, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Университете штата Северная Каролина.
«Они полезны в самых разных областях применения, например, в мягких роботах, которым могут потребоваться материалы, способные выдерживать суровые условия окружающей среды, растягиваться и менять форму».
Суперомнифобные поверхности обычно создаются путем распыления материала с растворителем, содержащим наночастицы. Покрытие образует шероховатую текстуру, которая предотвращает прилипание жидкостей. Однако такие покрытия имеют тенденцию к расслоению при растяжении более чем на 100%, что ограничивает их использование в гибких системах.
Преодоление барьера расслоения
В более ранних работах группа Коты решала эту проблему, добавляя микровыступы — крошечные столбики шириной от 10 до 100 микрон — перед нанесением распыляемого покрытия.
Покрытие между колоннами отслоилось под нагрузкой, но верхушки колонн остались защищенными.
«В качестве грубой аналогии представьте мои вытянутые руки как материал, а волосы — как микроскопические выступы», — говорит Кота.
«Если потянуть меня за руки, мои волосы не почувствуют напряжения и останутся неповрежденными. Мы обнаружили, что материалы с микровыступами, нанесенные методом распыления, обладают сверхъомнифобией, если их длина в пять раз превышает первоначальную».
В новом исследовании команда полностью удалила напыляемое покрытие.
«В этой работе вместо распыления мы используем лазерную абляцию для создания как микровыступов, так и шероховатой поверхности, которая обеспечивает сверхъомнифобию», — продолжает Кота.
«Однако сначала нам нужно было определить оптимальные параметры лазера: мощность, скорость и пространственную частоту — или количество лазерных импульсов на единицу длины».
Поскольку лазерная абляция включает в себя миллионы возможных комбинаций параметров, исследователи обратились к машинному обучению.
Они ввели в модель мощность лазера, скорость, пространственную частоту и желаемый угол скольжения, что позволило предсказать оптимальные настройки и избежать длительных циклов проб и ошибок.
Машинное обучение направляет лазеры
Оптимизированный процесс был протестирован на силоксановом эластомере, модифицированном фторуглеродным силаном для повышения гидрофобности.
Полученная поверхность сохраняла сверхомнифобные свойства при деформации до 400% и более чем 5000 циклах растяжения. Команда также проанализировала, как растяжение влияет на углы смачивания, давление прорыва и углы скольжения.
«Мы создали платформу для производства эластичных сверхомнифобных материалов без использования химических растворителей и без необходимости проведения сотен тысяч проб и ошибок», — говорит Кота.
«Этот метод представляет собой более экологичный и экономически эффективный способ производства материалов для самых разных применений, от текстильных повязок до эластичной электроники, которую можно использовать в химически агрессивных средах».
Исследователи утверждают, что такой подход может способствовать разработке искусственной кожи, мягкой робототехники, носимой электроники и защитных текстильных покрытий, предназначенных для работы в сложных условиях.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Matter.
Sourse: interestingengineering.com
