О пользе листьев

Решение загадок природы - отнюдь не дань пустому любопытству, даже если задача выглядит незначительной. У способного сохранять свою чистоту цветка человек учится делать водоотталкивающую ткань, у водоросли заимствует "скелет"...

Почти тысячу лет назад один из основоположников неоконфуцианства китайский философ Чжоу Дуньи (Zhou Dunyi) произнес знаменитую фразу: "Я люблю лотос за то, что из грязи он вырастает незапятнанным". Впрочем, вполне возможно, что первым эту или похожую фразу про прекрасный цветок, ставший символом чистоты во многих религиозных учениях и философских системах, сказал кто-то другой. За несколько тысячелетий существования письменности разные мудрецы столько всего написали и наговорили, что сформулировать действительно новую мысль уже практически невозможно.

Но что бы там ни изрекали философы, то, как цветку лотоса удаётся всегда оставаться чистым, до сих пор не было окончательно ясно. И лишь недавно благодаря усилиям учёных из Университета Дьюка, наконец, удалось это выяснить.

Разумеется, основной механизм, позволяющий цветку эффективно избавляться от капель воды и грязи, хорошо известен. Лепестки и листья лотоса покрыты напоминающим воск гидрофобным составом и, кроме того, снабжены пупырышками со щетинками. Они резко сокращают площадь соприкосновения листа с каплей и оставляют между ними прослойку воздуха. Благодаря этому капли легко скатываются с листа, стоит лишь его немного наклонить.

Подобный механизм самоочистки уже стал основой ряда специальных покрытий с нанощетинками, которые позволяют ткани оставаться сухой даже после погружения в воду на несколько месяцев. Однако то, как лотос избавляется от капель росы, которые конденсируются утром прямо на поверхности листа под щетинками, оставалось загадкой. Роса может намочить и защищённую искусственными щетинками ткань, и тогда все усилия окажутся напрасными.

Учёные предположили, что капли конденсата отрываются от поверхности листа за счет небольшой вибрации, которая в естественных условиях всегда имеет место. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи закрепили лист лотоса с конденсатом на поверхности низкочастотного динамика и воспользовались высокоскоростной камерой. Эксперименты блестяще подтвердили гипотезу. Теперь можно создавать разнообразные водоотталкивающие покрытия, которым не страшна конденсация влаги, - нужно лишь предусмотреть механизм встряхивания.

Другую загадку природы пытаются разгадать и использовать учёные из Массачусетского технологического института. Давно известно, что между деревьями и почвой имеется небольшой (0,05–0,2 вольта) перепад напряжения, который можно попытаться использовать для выработки "зеленой" электроэнергии. Собственно, о том, что почти любые овощи и фрукты превращаются в батарейки, если воткнуть в них, например, медную монету и оцинкованный гвоздь, знают даже пытливые школьники.

Однако с деревьями всё гораздо сложнее. Почему между ними и почвой возникает разность потенциалов, до сих пор неясно. Ученые взяли одинаковые электроды из платины и после многочисленных экспериментов выяснили, что перепад напряжений не зависит от состава почвы, времени суток, солнечного освещения и скорости движения сока в дереве. Он связан лишь с разницей в кислотности древесины и почвы и определяется сложным обменом веществ в дереве.

Использовать этот небольшой и нестабильный перепад напряжения довольно трудно. Но сотрудникам MIT удалось создать преобразователь, который способен обеспечить работу датчиков для мониторинга температуры, влажности и других параметров при исследованиях экологии леса.

Ещё один урок у природы взяли исследователи из шведского Университета Упсалы. Их внимание привлекла водоросль Cladophora algae, чье буйное цветение в водах Балтики и других морей порой доставляет немало неудобств. Оказывается, эта водоросль имеет хитрый "скелет" из целлюлозы с рекордной площадью поверхности. Его достаточно покрыть нанослоем проводящего полимера вроде полипиррола, и дешёвый, эффективный и практически невесомый электрод для аккумулятора готов. Батареи с такими электродами из водорослей бьют все рекорды ёмкости (после сотни циклов она снижается всего на шесть процентов) и быстроты заряда среди полимер-целлюлозных аккумуляторов.

Но самые интересные результаты недавно получила команда из Римского университета Ла Сапиенца. Учёным удалось заставить кишечную палочку крутить миниатюрные храповики. Десять тысяч храповиков диаметром 48 и толщиной 10-микрон с восемью зубьями изготовили из пластика и поместили на поверхность капли с бактериями. Храповики удерживались капиллярными силами на границе между каплей и воздухом и могли свободно вращаться.

В обычной жидкости в состоянии равновесия броуновское движение молекул, обстреливающих храповики со всех сторон, взаимно компенсируется. Но раствор бактерий, питающихся химической энергией, является открытой системой. И упёршиеся в храповик бактерии, даже никак не управляющиеся, должны заставить его крутиться. Так и вышло - храповики вращались со скоростью один оборот в минуту, что совпало с результатами компьютерного моделирования.

Авторы исследования считают, что такие храповики в растворе с бактериями можно будет использовать для приведения в действие различных микромашин. Кроме того, подобная конструкция имеет потенциал, который можно раскрыть, подбирая форму и размер храповиков, а также используя другие виды бактерий.

Из еженедельника "Компьютерра" № 41 (805)