Эффект сальвинии

Эффе́кт сальви́нии — удерживание тонкого воздушного слоя на иерархически структурированной поверхности, погруженной в воду.

Этимология

Эффект получил своё название от рода плавающих папоротников Сальви́ния (лат. Salvínia), растений семейства Сальвиниевые (Salviniaceae).

Описание

Основываясь на биологических моделях биомиметические поверхности листьев Salvinia используются в качестве покрытий для снижения гидродинамического сопротивления сопротивления (до 30 % на первых прототипах). При нанесении на корпус судна такое покрытие позволит судну плавать на воздушном слое, что снижает гидродинамического сопротивления, что влечёт уменьшение потребления энергии и вредных выбросов.

Сравнение профилей потока воды на поверхности твердого смачиваемого тела и поверхности покрытой волосками, удерживающей воздух

Клоп вида Notonecta glauca под водой: серебристый блик на теле насекомого это свет, отражающийся от поверхности раздела между воздушной прослойкой на крыле и окружающей водой

Такие поверхности требуют сильно водоотталкивающей сверхгидрофобной поверхности и структуры упругих волосков миллиметрового размера для удерживания воздуха при погружении.

Три из десяти известных видов Salvinia обладают парадоксальной химической структурой поверхности листьев: гидрофильные кончики волосков и сверхгидрофобные поверхности листьев растений. Это свойство дополнительно стабилизируют воздушный слой на поверхности листьев.

История

Эффект сальвинии был обнаружен биологом и ботаником Вильгельмом Бартлоттом из Боннского университета и его коллегами, и с 2002 года был исследован у нескольких видов растений и животных.

Публикации и патенты на эту тему были опубликованы в период с 2006 по 2016 год. Лучшими биологическими моделями являются плавающие папоротники (Salvinia) с очень сложными иерархически структурированными поверхностями, покрытыми ворсинками, и у клопов рода Гладыши (например, рода Notonecta) со сложной двойной структурой волосков (setae) и микроворсинок (microtrichia).

Литература

• Barthlott, Wilhelm; Schimmel, Thomas; Wiersch, Sabine; Koch, Kerstin; Brede, Martin; Barczewski, Matthias; Walheim, Stefan; Weis, Aaron; Kaltenmaier, Anke; Leder, Alfred; Bohn, Holger F. (2010), "The Salvinia Paradox: Superhydrophobic Surfaces with Hydrophilic Pins for Air Retention Under Water", Advanced Materials (нем.), vol. 22, no. 21, pp. 2325—2328, Bibcode:2010AdM....22.2325B, doi:10.1002/adma.200904411, PMID 20432410, S2CID 205236244
• P. Ditsche-Kuru, M. J. Mayser, E. S. Schneider, H. F. Bohn, K. Koch, J.-E. Melskotte, M. Brede, A. Leder. M. Barczewski, A. Weis, A. Kaltenmaier, S. Walheim, Th. Schimmel, W. Barthlott: Eine Lufthülle für Schiffe – Können Schwimmfarn und Rückenschwimmer helfen Sprit zu sparen? In: A. B. Kesel, D. Zehren (ed.): Bionik: Patente aus der Natur −5. Bremer Bionik Kongress. A. B. Kesel & D. Zehren. Bremen 2011,Seiten 159–165.
• "Salvinia Effect", Biomimetics: Bioinspired Hierarchical-structured Surfaces for Green Science and Technology (нем.), Berlin/New York: Springer, pp. 179—186, 2012, ISBN 978-3-642-25407-9
• Konrad, Wilfried; Apeltauer, Christian; Frauendiener, Jörg; Barthlott, Wilhelm; Roth-Nebelsick, Anita (2009), "Applying methods from differential geometry to devise stable and persistent air layers attached to objects immersed in water", Journal of Bionic Engineering (нем.), vol. 4, no. 6, pp. 350—356, doi:10.1016/S1672-6529(08)60133-X, S2CID 53338503
• S. Klein: Effizienzsteigerung in der Frachtschifffahrt unter ökonomischen und ökologischen Aspekten am Beispiel der Reederei Hapag Lloyd, Projektarbeit Gepr. Betriebswirt (IHK), Akademie für Welthandel, 2012.
• W. Baumgarten, B. Böhnlein, A. Wolter, M. Brede, W. Barthlott, A. Leder: Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Stabilität von Luft-Wasser Grenzflächen an biomimetischen, Luft haltenden Beschichtungen. In: B. Ruck, C. Gromke, K. Klausmann, A. Leder, D. Dopheide (Hrsg.): Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik. 22. Fachtagung, 9.–11. September 2014, Karlsruhe; (Tagungsband). Karlsruhe, Dt. Ges. für Laser-Anemometrie GALA e.V., ISBN 978-3-9816764-0-2, S. 36.1–36.5 (Online).
• M. Rauhe: Salvinia-Effekt Gute Luft unter Wasser. In: LOOKIT. Nr. 4, 2010, S. 26–28.