研究人員表示，這種超疏水金屬管能內(nèi)部鎖定穩(wěn)定氣泡，使其在類似海洋的惡劣條件下仍可靠漂浮。

1912年4月泰坦尼克號(hào)沉沒113年后，"永不沉沒的船舶"這一構(gòu)想仍激發(fā)著工程師的想象力。如今美國研究人員宣布，他們已向這個(gè)目標(biāo)邁出實(shí)質(zhì)性一步。

近日，羅切斯特大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種讓普通鋁管實(shí)現(xiàn)永久漂浮的新方法——即使遭受嚴(yán)重?fù)p壞并長時(shí)間浸沒仍能保持浮力。研究人員稱，該技術(shù)最終可能支撐船舶、浮標(biāo)、浮動(dòng)平臺(tái)乃至可再生能源系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)。

永不沉沒的激光處理金屬

該研究由光學(xué)與物理學(xué)教授、激光能量實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家郭春雷領(lǐng)銜。團(tuán)隊(duì)以鋁管這種簡單結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象：普通鋁管一旦進(jìn)水就會(huì)沉沒。為改變這一特性，他們?cè)阡X管內(nèi)表面采用激光蝕刻工藝，形成微米級(jí)和納米級(jí)凹坑結(jié)構(gòu)，使金屬表面具備超疏水性，即強(qiáng)烈排斥水分且浸沒時(shí)保持干燥。

經(jīng)處理的鋁管入水后，內(nèi)部會(huì)鎖住穩(wěn)定的空氣層。這層空氣阻隔水分填充管道，使其無論浸沒多久都能保持浮力。

源于自然的儲(chǔ)氣靈感

這種漂浮機(jī)制借鑒了自然界的智慧：潛水鐘蜘蛛通過鎖住氣泡在水下生存，火蟻在洪災(zāi)時(shí)則利用疏水身體聯(lián)結(jié)成漂浮筏。羅切斯特團(tuán)隊(duì)增加了關(guān)鍵設(shè)計(jì)提升可靠性——在每根管道中央設(shè)置隔板以穩(wěn)定氣泡層。郭春雷解釋："即便將管道垂直壓入水中，氣泡仍能保持鎖定狀態(tài)，確保漂浮能力。"該設(shè)計(jì)能防止氣泡在突然移動(dòng)或方向改變時(shí)逃逸。

惡劣環(huán)境中的卓越表現(xiàn)

郭春雷實(shí)驗(yàn)室2019年曾演示超疏水漂浮裝置，當(dāng)時(shí)采用雙處理圓盤密封設(shè)計(jì)。雖然有效，但圓盤系統(tǒng)在極端傾斜角度可能失穩(wěn)。新型管道設(shè)計(jì)解決了這個(gè)問題：即使在類似洶涌海況的湍流中仍能保持浮力。郭春雷補(bǔ)充："我們?cè)趪?yán)苛環(huán)境中進(jìn)行了數(shù)周測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)浮力衰減。即使鑿出大量孔洞，管道依舊漂浮。"這種抗損傷特性使其具備實(shí)際海洋應(yīng)用價(jià)值。

從漂浮筏到波浪發(fā)電

研究團(tuán)隊(duì)證明多根管道可聯(lián)結(jié)成大型漂浮結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中使用的管道長度接近50厘米，郭春雷表示該技術(shù)可擴(kuò)展至適合承重平臺(tái)的更大尺寸。這種聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)可作為船舶、浮動(dòng)碼頭或海洋浮標(biāo)的基礎(chǔ)。除交通與基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域外，研究人員還探索了能源應(yīng)用：由超疏水管組成的漂浮筏可隨波浪運(yùn)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)海洋可再生能源發(fā)電。

該研究已發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》期刊。

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