Materiał, który znamy głównie jako ozdobny kamień szlachetny, staje się kluczem do nowej generacji wytrzymałych, inteligentnych powierzchni. Naukowcy z University of Texas w Austin, pod kierunkiem prof. Chih-Hao Changa, opracowali unikalne szafirowe nanostruktury, które nie tylko zachowują twardość tego minerału, ale też zyskują zupełnie nowe właściwości: odporność na zaparowanie, refleksy świetlne, kurz i zanieczyszczenia, a także zdolność do samooczyszczania.
Czytaj też: Rewolucyjne szkło fotowoltaiczne naładuje Twój smartfon prosto z ekranu
To pierwszy raz, gdy materiał o tak wysokiej twardości udało się przekształcić na poziomie nanoskali w sposób, który nie osłabia jego strukturalnej integralności. W publikacji w czasopiśmie Materials Horizons naukowcy zaprezentowali najnowsze wyniki badań nad tym, jak zaawansowane struktury powierzchniowe mogą nadać twardemu jak diament szafirowi nowe “supermoce”.
To nie jest zwykły szafir, to superszafir inspirowany oczami ciem!
Inspiracją dla teksańskiego zespołu była… ćma. Oczy nocnych motyli pokryte są mikroskopijnymi strukturami, które eliminują refleksy świetlne, pozwalając owadom pozostać niewidocznym dla drapieżników. Badacze zastosowali podobną geometrię – zwężające się ku górze nanostożki – na powierzchni szafiru, tworząc materiał, który nie odbija światła i przepuszcza je znacznie efektywniej niż tradycyjne szkło.
Czytaj też: Ten materiał dosłownie tworzy się z powietrza. Zyskuje wytrzymałość w niebywały sposób
Dodatkowo, wysoka energia powierzchniowa tych struktur sprawia, że są one superhydrofilowe, co zapobiega osadzaniu się mgły. Gdy zaś zostaną odpowiednio chemicznie zmodyfikowane, stają się superhydrofobowe, co z kolei powoduje, że woda w postaci kropelek spływa z ich powierzchni niczym z liścia lotosu. Obie właściwości są nieocenione zarówno w elektronice, jak i w optyce czy przemyśle lotniczym.
Jak tłumaczy Andrew Tunell, student biorący udział w badaniach, testy wykazały, że nowy materiał może utrzymać 98,7 proc. powierzchni wolnej od kurzu, wyłącznie dzięki sile grawitacji. To ogromny krok naprzód w porównaniu z obecnymi technologiami przeciwdziałania zabrudzeniom, zwłaszcza w środowiskach ekstremalnych.
Andrew Tunell mówi:
To szczególnie istotne w kontekście przyszłych misji kosmicznych. Urządzenia lądujące na innych planetach są narażone na osadzanie się pyłu, który może zniszczyć czujniki i sprzęt optyczny. Nowa technologia pozwoliłaby utrzymać ich sprawność bez użycia wody ani zewnętrznych środków czyszczących.
W praktyce oznacza to możliwość tworzenia ekranów smartfonów i tabletów, które nie będą się rysować, a jednocześnie pozostaną czytelne nawet w pełnym Słońcu. Okulary i soczewki, które nie parują ani nie wymagają czyszczenia. Szyby samochodowe i samolotowe, które same odpychają kurz i krople deszczu. I – co najważniejsze – systemy optyczne w sondach kosmicznych i pojazdach wojskowych, których niezawodność jest absolutnie kluczowa.
Mehmet Kepenekci, doktorant i współautor badań, dodaje:
Nasze struktury szafirowe są nie tylko wielofunkcyjne, ale też niezwykle wytrzymałe mechanicznie. Dzięki temu mogą znaleźć zastosowanie tam, gdzie dotąd wydawało się to niemożliwe.
Obecnie naukowcy pracują nad zwiększeniem skali produkcji – nanostruktury trzeba bowiem nanosić na większe powierzchnie bez utraty precyzji. Równocześnie trwa udoskonalanie właściwości mechanicznych i chemicznych oraz testy wytrzymałości w różnych warunkach – od tropikalnych, przez pustynne, po próżnię. Jeśli technologia zostanie skomercjalizowana, może zmienić nie tylko wygląd i trwałość urządzeń, ale też podejście do projektowania całych systemów optycznych.