15.08.2013

Как очистить воду от нефтяных разливов, подскажет кактус

Крошечные шипы из меди, созданные по образу шипов кактуса, вполне возможно, как утверждают исследователи, смогут удалять масло из воды и помочь в эффективной очистке нефтяных разливов.

Пекинские ученые предоставили результаты своих исследований журналу Nature Communications (еженедельному рецензируемому изданию, охватывающему сферы физики, химии, биологии и науке о Земле).

В прошлом году исследователи из Пекина сообщили об открытии интересного факта: конические иглы кактуса «заячьи ушки», иначе опунция мелковолосистая (лат. Opuntia microdasys), может собирать воду из воздуха.

Капли воды собираются на кончике шипа, а затем спускаются к основанию колючки за счет взаимодействия сил поверхностного натяжения поверхностью шипа.

Ученые сообщают, что, по результатам исследований, синтетические шипы способны отделять и собирать капли нефти из воды описанным выше образом. Также сообщается, что уже создана синтетическая «кожа кактуса», у которой иглы действительно осуществляют очистку воды от масляных и нефтяных пятен.

В то время как вода и нефть не смешиваются, если очень маленькие капли нефти будут размешаны в воде, отделить их станет практически невозможно. Ярким примером служит гомогенизированное молоко, в котором мельчайшие капельки жира остаются взвешенными по отдельности навсегда, не собираясь вместе и не всплывая на поверхность жидкости.

Описывая свой метод, Лей Джянг (Lei Jiang), лидер исследовательского проекта, сказал: «Мы создали массив игл. Каждая коническая игла в массиве является небольшим устройством сбора масла. Такой массив может собирать микронного размера капли нефти из воды постоянно и эффективно».

Синтетические иглы имеют полмиллиметра в длину и удаляют крошечную, микронного размера каплю масла или нефти из воды, что очень трудно осуществить любым другим способом. В ходе испытаний было обнаружено, что гексагональные массивы таких игл могут собрать порядка 99% нефти, мельчайшие капли которой были тщательно смешаны с водой.

Иглы были сделаны из двух разных материалов – меди и кремниевого полимера. Ученые обратили внимание, что состав материала, который близок к нефти, вместе с формой конуса играют большую роль в работе устройства, но более жесткие конусы справляются с поставленной задачей гораздо лучше и более эффективно собирают нефть из воды.

«Это отличная работа, которая показывает идеальный пример первого описания интересной биологической системы, а затем осуществляется еще один шаг вперед, решая инженерную проблему», говорит профессор Джоанна Айзенберг (Joanna Aizenberg) из Гарвардского университета. «Это исследование показывает не только нашу способность учиться у природы, но и возможность применения этих знаний в био-дизайне. Прекрасный эксперимент, который очень эффективно, на мой взгляд, полностью собирает нефть из воды. Следующим этапом должны стать проведение экспериментов в полевых условиях».

Этот феномен основан на том факте, что радиус поверхности конуса вблизи вершины очень мал и увеличивается от кончика к основанию. Это вызывает перепад давления для капли на конце иглы по сравнению с ее основанием, что заставляет жидкость переместиться к широкой части конуса. И по ходу движения капля захватывает за собой более мелкие и сливается с ними у основания конуса.

Ученые испытали различные варианты смесей типа «масло-вода», включая растительные масла, бензин и органические растворители, все смешивали с водой и после успешно разделяли.

Копирование дизайна и процессов у матушки-природы называется биомимикрия. Это развивающаяся область технологии материалов, а сами материалы называются биомиметическими.

Профессор Стивен Михелсен (Stephen Michielsen) из Университета штата Северная Каролина поделилась своим мнением о группе ученых из Пекина: «Их основное исследование пытается подражать природе. Вчера они рассматривали паутину и кактусы, а сегодня уже используют такие же методы, чтобы собрать крошечные капельки нефти из воды. Этот метод должен также хорошо работать при удалении крошечных капель нефти из воздуха, такая проблема возникает, когда происходит утечка и нефть находится в аэрозольном состоянии в, например, емкости со сжатым воздухом.

Это очень хороший способ – наблюдать, что происходит в природе, а затем имитировать эти процессы. Природа совершенствовала методы на протяжении многих лет, и эта группа исследователей проделала колоссальную работу по сведению всех естественных процессов в один рабочий и эффективный метод».

Источники:

1. facepla.net