Může železná koule plavat? Na hladině se udrží díky barevnému laseru

Ze světa přírody přichází mnohá inspirace. Třeba od pavouků nebo mravenců. Agresivní invazní mravenci Solenopsis invicta z Argentiny, známí pod označením „fire ants“, docela dobře zvládají vodní toky. Vodouch stříbřitý (Argyroneta aquatica) si zase staví podvodní vzduchové zvony. A vědci se zaobírají otázkou, jak zařídit, aby mohlo plavat to, co zdánlivě plavat nemůže. Například železo.

Hydrofobie, tedy odpor vůči vodě (nikoli u lidí, ale u materiálů), je obecně zajímavá oblast výzkumu. Multifacetové superhydrofóbní povrchy (SH), které vědci vlastně tak trochu náhodou u kovů vyvinuli, mohou zachytit velký objem vzduchu. Tyto povrchy pak lze využít k vytvoření zařízení, která by, ač jsou sama těžká, mohla ve vodě plavat.

Modré zlato

Jak objev „voděvzdorných“ povrchů vznikl? Nejdříve se Chunlei Guo, který je profesorem na Institutu optiky na University of Rochester, zaobíral výzkumem, jenž měl dát kovům různou barevnost. Používal intenzivní laserové světlo, aby změnil jejich vlastnosti. Pracoval i se železnými koulemi. Na jejich povrchu se po ozáření laserem objevila barva podobně jako na křídlech motýla. Protože tento proces mění vnitřní povrchové vlastnosti samotného kovu a nejde jen o povlak, barva nevybledne ani se neodlupuje.

I po ponoření na dobu dvou měsíců se laserem ošetřené struktury kovu okamžitě po uvolnění zátěže odrazily zpět na hladinu vody.

Podle Gua jsou možnosti této techniky nekonečné. „Nyní můžeme konečně kov vyrobit tak, aby odrážel téměř jakoukoli barvu, kterou si přejeme,“ říká Guo. „Třeba zlatý zásnubní prsten, který odpovídá modrým očím vašeho snoubence.“ Guo nyní už ví, jak na to. Používá krátký, ale intenzivní laserový impuls, který mění povrch kovu a vytváří na něm mikroskopickou strukturu, která selektivně odráží určitou barvu, aby pak vytvořila dojem konkrétní barvy nebo ony „motýlí“ kombinace barev.

Nepotopitelný kov

Od takové, dejme tomu hrátky s barvou, ale Guo a jeho tým postoupili dál. Podařilo se jim vytvořit kovovou strukturu, která natolik odpuzuje vodu, že se prostě odmítá potopit. Pomocí pulzů femtosekundového laseru naleptali povrch upravovaného kovu a vytvořili na něm miniaturní struktury, které podobně jako již v úvodu zmíněných mravenců dokážou udržet vzduch. Povrch kovu se stává superhydrofobním, tedy velmi silně odpuzujícím vodu.

Je přitom lhostejné, kolikrát takový povrch namočíte nebo jestli jej třeba nějak poškodíte či proděravíte. Vědci sice experimentovali s hliníkem, ale podle nich je možné stejnou úpravu použít pro jakýkoliv kov i jiné materiály. S výkonnými lasery by podle nich neměl být v praktickém uplatnění nepotopitelného kovu zásadní problém. I po ponoření na dobu dvou měsíců se laserem ošetřené struktury kovu okamžitě po uvolnění zátěže odrazily zpět na hladinu vody.

Se vzduchem do zásoby

Tajemstvím úspěchu jsou právě ony neuvěřitelně krátké výboje laserů, v našem případě femtolaseru, který pracuje s ultrakrátkými optickými impulsy v oblasti vlnových délek 1 100–1 600 nanometrů. Název „femtosekundový laser“ je odvozen od předpony „femto“, tedy 10⁻¹⁵, což vyjadřuje přibližnou délku trvání jednoho pulsu femtosekundových laserů. Energie takto extrémně krátkých pulsů je soustředěna do velmi malého prostoru, což vede k vysoké energetické hustotě, jejímž výsledkem je vznik elektronového plazmatu, popřípadě v optice k vypaření tkáně.

Železné lodě, které může držet nad hladinou jejich povrch, nikoli vzduchová kapsa, už tedy nejsou utopií.

V našem případě tyto lasery naleptají povrch kovů v nanočásticích, které zachycují vzduch, a vytvářejí povrchy hydrofobní nebo odpuzující vodu. Nejenže tedy intenzivní paprsek dovede povrch kovu k vytvoření nanostruktur, které reagují na přicházející světlo různými způsoby, ale zároveň dovede udržet dostatek vzduchu, aby se kovová konstrukce nepotopila. Železné lodě, které může držet nad hladinou jejich povrch, nikoli vzduchová kapsa, už tedy nejsou utopií. Neutopí se.