【尖端科技】克服船艦在水中的拖曳損耗:奈米纖毛

■模仿生物體表的奈米纖毛可能是解決水與物體表面摩擦阻力的最佳辦法!

am-2015-01772m_0006撰文|方程毅

一艘船進行遠洋航行,最在意的事情莫過於油耗量,船在海上航行有50%的油都用於克服船身與水的阻力,也因此無論船身做得多麼流線型,都只能減少因為形狀造成的阻力,船身本身跟水的摩擦阻力就必須要靠表面的特殊結構才能減少。不僅船隻航行會遇到這個問題,水在水管內輸送也同樣需要考慮摩擦阻力,若是摩擦阻力減小,運送時所需的能量就能有效降低。因此如何減少水造成的拖曳損耗(drag reduction)便是個相當重要的議題。

想要減少摩擦阻力進而減少拖曳損耗,最直觀的做法就是增加表面的疏水性,就像荷葉一樣,水沾到荷葉上面不會整個散開,而是形成一顆水珠滑落,超疏水性讓水在材料表面的附著力變差,所以拖曳損耗就會降低。自然界有各式各樣不同方法形成疏水表面,其中,水生蕨類槐葉蘋(Salvinia)會在表面形成奈米纖毛,當葉面接觸到水的時候纖毛內部會存有空氣,這層存在纖毛內且夾在水跟葉面中間的空氣就可以使表面具有疏水性。來自德國卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruher Institut für Technologie)的科學家們便以生物為師,仿造這種結構做出奈米纖毛,且經實驗證實可以顯著減少摩擦阻力,這項研究被發表在 2015ACS Applied Materials & Interfaces 上,也獲得知名網站《Nanowerk》報導。

這種奈米纖毛的材料為聚碳酸酯(Polycarbonate)是一種高分子,製備奈米纖毛方法稱為hot pulling(熱熔拉),顧名思義就是另取一塊表面粗糙的板子加熱到高溫(215°C),將其與聚碳酸酯接觸讓高分子熔化[註],再將這塊高溫的板子慢慢往後拉,因為板子本身表面粗糙,聚碳酸酯就會因為板子的表面形貌被拉出一根一根纖毛,這種製備方式的好處就是不需要太精密,因為很多超疏水表面都需要複雜且精準的製程,而hot pulling相對來講就簡單得多。這些奈米纖毛的密度大約為 90,000-150,000 \ hair/mm^{2} ,每平方公釐含有九萬到十五萬根纖毛,纖毛最尖端的直徑小於200奈米,與水的接觸角可以高達153°,也就是說水在這層纖毛上幾乎不會散開。

接著研究團隊將其浸入水中,實際測試其疏水性,成功觀察到有一層空氣被「困在」纖毛內。這個現象非常難想像,因為一般印象只要把東西浸入水中,水就會立即滲透各個表面,但這些是大尺度下的行為,奈米等級很多行為都是違反直覺的。或許你又會想,就算真的有一層空氣暫時夾在中間,也遲早被水攻破,撐不了多久,但實驗發現這層空氣可以存活31天,而「只有」31天是因為第31天他們就將奈米纖毛從水中拿出來觀察,所以沒人知道實際上這層空氣還可以存活多久。

奈米纖毛中存有空氣的量也跟周圍水壓有關,水壓越高,空氣就越不容易存在於纖毛內。如何在較大的水壓下也能保有這層空氣,進而減少拖曳損耗更是一個值得深究的問題。

主要進行這項研究的博士後研究員Maryna Kavalenka表示:「我們實驗室未來針對超疏水及保有空氣層的研究主要會加強耐久性,以及在水壓較高的地方還能保有這種特性。」「這也將與減少高速水流下的拖曳損耗做結合,這非常有趣,因為實際上貨船或其他船艦真正面臨的是高速水流。在這其中剪應力(shear forces)會減少其空氣夾層。同時對付比較嚴酷的環境及減少拖曳損耗非常具挑戰性,我們也需要克服許多製程上的問題」

【註】這種高分子遇熱其實不稱做熔化,溫度也不叫做熔點,而是稱為玻璃轉化溫度(Glass transition temperature, Tg),高分子一旦加熱到這個溫度就會軟化且容易塑形,但還沒有熔化成為液態。

--原始論文與圖片出處:Kavalenka, Maryna N., Felix Vüllers, Simone Lischker, Claudia Zeiger, Andreas Hopf, Michael Röhrig, Bastian E. Rapp, Matthias Worgull, and Hendrik Hölscher. "Bioinspired air-retaining nanofur for drag reduction." ACS applied materials & interfaces (2015).

參考資料:Bioinspired nanofur could significantly reduce underwater drag of marine vessels

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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