Hydrofakir: Κάν' το όπως ο φακίρης!

Μια ερευνητική ομάδα από το Τμήμα Χημικών Μηχανικών του ΕΜΠ προσπαθεί, με ευρωπαϊκή χρηματοδότηση,

να αντιγράψει τη Φύση και να μιμηθεί κάποια παράδοξα φαινόμενα που συμβαίνουν αιώνες τώρα, προκειμένου να σχεδιάσει και να υλοποιήσει επιφάνειες ελεγχόμενης διαβρεκτικότητας. Στόχος της η αξιοποίηση των νέων δυνατοτήτων σε πλήθος σημαντικές εφαρμογές, από αυτοκαθαριζόμενους υαλοπίνακες ως διακίνηση υγρών χωρίς κινούμενα μέρη και φακούς υγρής κατάστασης.

Στη αρχή, το ομολογώ, ήταν το όνομά του που μου έκανε περισσότερο εντύπωση.

Ψάχνοντας σ' έναν παλιότερο κατάλογο με ελληνικά ερευνητικά έργα τα οποία εντάχθηκαν στο ευρωπαϊκό πρόγραμμα «Ιδέες» κατόπιν διεθνούς διαγωνισμού και χρηματοδοτούνται (με start-up grant) από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας, προκειμένου να διερευνήσω το σημερινό στίγμα τους, ένα από αυτά - το Hydrofakir - μου κίνησε το ενδιαφέρον.

Τι είναι τούτο, πάλι; Η σύντομη περιγραφή που το συνόδευε («αφορά στο σχεδιασμό και στην υλοποίηση επιφανειών με πλήρως ελεγχόμενη διαβρεκτικότητα»...) αντί να την αμβλύνει, μου όξυνε περισσότερο την περιέργεια.

Έτσι, λίγες μέρες μετά, βρέθηκα στη Σχολή Χημικών Μηχανικών του ΕΜΠ να μιλάω με τον αρμόδιο ερευνητή μέλος της ομάδας του καθηγητή Ανδρέα Μπουντουβή (και άρτι εκλεγέντα επίκουρο καθηγητή) Θανάση Παπαθανασίου και τους συνεργάτες του στο πρόγραμμα Hydrofakir, για υδρόφιλες και υδρόφοβες επιφάνειες, για τα φύλλα του λωτού, το σκαθάρι της ερήμου και πολλά άλλα παράξενα αλλά γοητευτικά φαινόμενα, που εμείς οι άνθρωποι προσπαθούμε να αντιγράψουμε προκειμένου να πετύχουμε - ίσως σε κάποιον άλλο τομέα και πιθανώς με κάποιον άλλο στόχο - όσα συμβαίνουν, αιώνες τώρα, στη Φύση...

Αν βλέπαμε γύρω μας...

Τα τελευταία χρόνια γνωρίζει ιδιαίτερη ανάπτυξη η Βιομιμητική, δηλαδή η τάση των ερευνητών και των επιστημόνων να εμπνέονται (κάτι που δεν είναι δα και τόσο πρωτότυπο πριν από 500 και πλέον χρόνια, ο Λεονάρντο νταΒίντσι σχεδίαζε τις πτητικές μηχανές του, παρατηρώντας τα πουλιά από τον πύργο του...) απ' όσα συμβαίνουν γύρω μας, από τα ζώα, τα φυτά και τα φυσικά φαινόμενα, είτε για να δώσουν λύσεις σε προβλήματα που αντιμετωπίζουμε σε κάποιους τομείς είτε για να παρουσιάσουν νέα υλικά και τεχνικές.

Οι πιο παράδοξες συμπεριφορές είναι φυσικό να «προκαλούν» περισσότερο τους ερευνητές, που από τη μια πλευρά προσπαθούν να τις ερμηνεύσουν κι από την άλλη να τις αξιοποιήσουν για τους δικούς τους (και εκείνους του κοινωνικού συνόλου, βεβαίως) σκοπούς.

Κάποιες από αυτές, όπως η δυνατότητα αυτοκαθαρισμού των φύλλων του λωτού με το νερό της βροχής, το βάδισμα κάποιων εντόμων πάνω σε επιφάνειες υγρών, αλλά και ο τρόπος με τον οποίο το σκαθάρι της ερήμου συλλέγει πόσιμο νερό αξιοποιώντας την πρωινή ομίχλη, έχουν απ' ό,τι φαίνεται πολλά να μας διδάξουν όσον αφορά στη σχέση μεταξύ της τραχύτητας των στερεών επιφανειών και της συμπεριφοράς των υγρών που έρχονται σε επαφή μ' αυτές.

Πάνω σ' αυτές τις παρατηρήσεις, λοιπόν, «πατάει» το συγκεκριμένο ερευνητικό έργο που ως πρώτο στόχο έχει (όπως αναφέρθηκε και παραπάνω) «το σχεδιασμό και την υλοποίηση επιφανειών με πλήρως ελεγχόμενη διαβρεκτικότητα» και ως απώτερο, με πρακτικό πλέον αποτέλεσμα, την ανάπτυξη υλικών τα οποία θα επιτρέπουν τη διακίνηση υγρών, χωρίς τη χρήση μηχανικά κινούμενων μερών.

Υδρόφιλες και υδρόφοβες

Η ερευνητική ομάδα του ΕΜΠ δημιουργεί επιφάνειες οι οποίες άλλοτε «αγαπάνε» το νερό κι άλλοτε το «αποδιώχνουν», δηλαδή συμπεριφέρονται άλλοτε ως υδρόφιλες κι άλλοτε ως υδρόφοβες, χωρίς τροποποίηση της χημικής τους σύστασης.

Αυτό στην πράξη σημαίνει ότι, με πρότυπο την επιφανειακή μορφολογία των φύλλων του λωτού (να τη, η Βιομιμητική που λέγαμε), σχεδιάζεται κατάλληλα η τραχύτητα στερεών επιφανειών, ώστε να δημιουργηθούν μικροακίδες ύψους μικρού (χιλιοστά του χιλιοστού), πάνω στις οποίες θα κάθονται οι σταγόνες του νερού όπως ο φακίρης στο κρεβάτι  με τα καρφιά (εξ ου και ο τίτλος Hydro-fakir, που τόσο με παραξένεψε).

Οι Έλληνες ερευνητές πιστεύουν (και το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας στηρίζει αυτή την προσπάθειά τους) πως ο κατάλληλος σχεδιασμός της επιφανειακής τραχύτητας, όπως ορίζεται από τη γεωμετρία και την απόσταση μεταξύ των μικροακίδων, σε συνδυασμό με τη χρήση κατάλληλων ηλεκτρικών πεδίων θα επιτρέψει τη μετάβαση από σταγόνες «φακίρηδες» (Fakir droplets, o αγγλικός όρος) σε σταγόνες που διαβρέχουν πλήρως τις στερεές επιφάνειες, σαν υγρά υμένια (liquid films), και αντίστροφα, αν και το δεύτερο φαντάζει, για την ώρα, πολύ πιο δύσκολο από το πρώτο.

Γιατί αυτή η ανισότητα; Γιατί, όπως υπομονετικά μου εξήγησε ο Θανάσης Παπαθανασίου, στη δεύτερη περίπτωση δημιουργείται ένα «ενεργειακό φράγμα», το οποίο εξαρτάται από τη δομή της επιφάνειας.

Η μείωση και, πολύ περισσότερο, ο μηδενισμός του είναι πολύ δύσκολη υπόθεση, όμως θεωρεί ότι βρίσκονται σε καλό δρόμο, δοκιμάζοντας στο πλαίσιο της προσπάθειάς τους συνδυασμούς τραχύτητας της επιφάνειας και επίδρασης ηλεκτρικών πεδίων.

Μεγάλες οι προκλήσεις

Από επιστημονικής πλευράς, το κύριο μέλημα είναι η εξήγηση της δημιουργίας αυτού του φράγματος και στη συνέχεια η αντιμετώπισή του με επιφάνειες προσχεδιασμένης τραχύτητας, οι οποίες ενισχύουν την έλξη (υπερ-υδρόφιλες) και την άπωση (υπερ-υδρόφοβες) του νερού, περνώντας από τη μια κατάσταση στην άλλη απλώς και μόνο με την εφαρμογή της κατάλληλης τάσης, δηλαδή, με το πάτημα ενός διακόπτη.

Το «μυστικό» βρίσκεται στα πολύ μικρά ηλεκτρόδια που βρίσκονται βυθισμένα μέσα στο υγρό και ενεργοποιούνται κατά βούληση, συστέλλοντας ή διαστέλλοντας κάθε σταγόνα.

Κι απ' ό,τι μου έδειξαν στο μικροσκόπιο, το μέτρο της διαβρεκτικότητας είναι ουσιαστικά η γωνία επαφής της σταγόνας με την επιφάνεια.   

Γιατί, όμως, να μπούμε σ΄ όλον αυτό τον κόπο; Μα, γιατί οι περιπτώσεις στις οποίες μπορούν να βρουν εφαρμογή τέτοιες λύσεις είναι πολλές και άκρως ενδιαφέρουσες. Ίσως η απλούστερη να είναι η συλλογή νερού από την πρωινή ομίχλη, με τη μέθοδο που το μαζεύει και το σκαθάρι της ερήμου: η διαδοχή υδρόφιλων και υδρόφοβων επιφανειών, μπορεί να οδηγήσει τα συμπυκνωμένα σταγονίδια του νερού εκεί που θέλουμε.

Η κατάλληλη διαμόρφωση της επιφάνειας των υαλοπινάκων που χρησιμοποιούνται στα ψηλά κτίρια μπορεί, επίσης, να τους μετατρέψει σε αυτοκαθαριζόμενους, σε αναλογία με ό,τι συμβαίνει στα φύλλα του λωτού.

Σε οθόνες και φακούς

Πολύ πιο εντυπωσιακές, όμως, είναι οι τεχνολογικές εφαρμογές της μεθόδου, όπως η αξιοποίηση στις κάθε λογής οθόνες που χρησιμοποιούμε στην καθημερινότητά μας, καθώς μπορούν να δώσουν μεγάλη φωτεινότητα και άμεση ανταπόκριση (φανταστείτε τη χρήση σε μια ηλεκτρονική εφημερίδα...), αλλά και στη διαχείριση μικροποσοτήτων υγρών, χωρίς κινούμενα μέρη.

Αυτό μελλοντικά θα μπορούσε να οδηγήσει στη δημιουργία μικρο-αναλυτικών συσκευών, με δυνατότητα ακόμα και εμφύτευσής τους στο ανθρώπινο σώμα, με στόχο τον συνεχή έλεγχο και την παρακολούθηση ζωτικών μας παραμέτρων.

Αφήσαμε για το τέλος, σαν «κερασάκι» στα όσα εντυπωσιακά μας επιφυλάσσει το μέλλον χάρη σ' αυτή την τεχνολογία, τη δυνατότητα εφαρμογής της στους «υγρούς φακούς μεταβλητής εστίασης».

Κάμποσες γνωστές εταιρίες (Varioptic, Samsung, Philips που απέκτησε και την πρώτη πατέντα το 2004 κ.ά.) έχουν στρέψει τις έρευνές τους προς την κατεύθυνση της αντικατάστασης των γνωστών γυάλινων φακών, που χρησιμοποιούμε σε φωτογραφικές μηχανές, βιντεοκάμερες, ενδοσκόπια, αλλά και φωτο-κινητά με απλούστερους, φτηνότερους στην κατασκευή και ακριβέστερους σε απόδοση «υγρούς» φακούς, οι οποίοι έχουν ακόμα και δυνατότητα ζουμ!

Απ' όσο γνωρίζουμε, μόνο η Varioptic έχει παρουσιάσει μέχρι σήμερα φακούς υγρής κατάστασης στην αγορά, ως προϊόντα μαζικής παραγωγής, αλλά είναι βέβαιο ότι κι οι άλλοι κατασκευαστές δεν θα αργήσουν να το κάνουν. Σ' αυτό τον χώρο, η νέα τεχνολογία αναμένουμε να συνεισφέρει πολλά...    

Λεφτά υπάρχουν...

Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα των Ελλήνων ερευνητών, είναι η σπάνις των πόρων που συχνά προκαλεί καθυστερήσεις. Ευτυχώς στην περίπτωση του Hydrofakir «λεφτά υπάρχουν», καθώς ο εγκεκριμένος από το Συμβούλιο Έρευνας προϋπολογισμός φτάνει τα 1,13 εκατ. € για τους 60 μήνες της διάρκειας του έργου.

Αν οι ερευνητές αφεθούν απερίσπαστοι να κάνουν αυτό που ξέρουν, κάτι μας λέει πως τα καλά αποτελέσματα δεν θα αργήσουν να έλθουν..

πηγη:technologein.pathfinder.gr

ΜΤ