Все мы знаем, что вода — источник жизни, и с древних времён люди старались селиться там, где есть источники воды.

Однако двойственность ситуации заключается в том, что, с одной стороны, люди всегда искали воду, а с другой стороны — всегда старались избавиться от неё! :-)

То есть старались всегда найти такой способ защититься от смачивающего действия воды, чтобы устранить её воздействие на тело, так как высокая теплоёмкость её активно охлаждает организм человека, и если в жарких регионах это и даёт определённую радость, то на большей части поверхности Земли подобное смачивание чревато проблемами со здоровьем.

И, как вы, наверное, уже начинаете догадываться, сегодня мы поговорим о гидрофобных материалах и способах искусственного создания водоотталкивающих условий!

Из глубины веков до нас дошла история древнеримской целомудренной женщины — «весталки», чьей обязанностью было поддерживать постоянный негасимый огонь, служащий, по преданию, для охраны города.

В какой-то из моментов огонь погас, и её обвинили в том, что это случилось по её вине, где для подтверждения своей невиновности женщина якобы призвала невидимые силы на помощь, которые должны были помочь ей доказать свою правоту, для чего она пошла с решетом к реке Тибр, набрала его полным воды, донесла и вылила под ноги судей — то есть совершила невероятное действие, невозможное по своей природе:

С тех времён на различных древних картинах, изображающих женщин, часто можно видеть их стоящими с решетом в руках — как физическим символом непорочности и невиновности:

Однако сама легенда поднимает множество интересных вопросов, где одним из ключевых, наверное, является возможность самого факта переноски воды в решете.

Так как, по большому счёту, этот вопрос далеко не праздный — ведь большая часть (можно даже сказать, подавляющая) тех материалов, которые использует человечество для защиты от непогоды (особенно элементов одежды), являются ткаными и, по сути, представляют собой то же самое решето, где сами ткани отличаются только плотностью, типом плетения и видом нитей.

То есть, если бы удалось найти способ сделать ткани непромокающими, то это сильно помогло бы человечеству в выживании!

Вопрос этот возник далеко не вчера — вспомнить хотя бы знаменитый «макинтош», название вполне себе нарицательное, которое вошло в обиход в XIX веке с момента изобретения шотландским химиком Чарльзом Макинтошем специальной прорезиненной ткани, из которой изготавливали влагозащитные плащи и пальто в начале XIX века:

Открытие было совершено совершенно случайно, когда химик облил рукав пиджака каучуком, где после застывания последнего обнаружил, что рукав перестал промокать.

Тем не менее, изобретение было несовершенным: из-за использования натурального каучука ткань сильно реагировала на погоду — попросту говоря, на солнце и в тёплую погоду каучук размягчался, склеивал сложенные части ткани между собой, а также издавал неприятный запах; в холодную же погоду — дубел и имел тенденцию к растрескиванию.

Проблемы были некоторым образом нивелированы только к середине XIX века с изобретением вулканизации, что, впрочем, не избавило от проблем, присущих именно этому типу одежды:

• Полная влагонепроницаемость — а это, соответственно, настоящая водяная «баня» при сколь-нибудь активном движении из-за потения;

• Всё то же дубение на холоде и размягчение на жаре, вплоть до обжигания кожи.

Так что, как мы видим, это было вовсе не решением проблемы, а только, в некотором смысле, «небольшим облегчением вопроса»…

К слову, если мы посмотрим чуть глубже в историю, то убедимся, что изобретение этого шотландца не является уникальным — он просто применил старые, известные человечеству сведения новым способом! А именно: все мы знаем, что с древности практиковался способ «смоления» днища и корпуса морских судов — то есть, попросту говоря, обмазывания их разогретой смолой, что и защищало древесину в условиях водной среды от разрушающего её водного воздействия.

Таким образом, делая некоторый промежуточный вывод, мы можем для себя отметить, что почему-то некоторые вещества «притягивают» воду, тогда как другие «отталкивают», что и может быть полезным образом использовано, например, как мы видели, с помощью пропитки промокающих материалов непромокающими средствами.

И, кстати, несколько забегая вперёд, можно сказать, что слова «притягивают» и «отталкивают» здесь будут как нельзя кстати, так как в точности отображают суть происходящего. Впрочем, обо всём по порядку… ;-)

Есть очень интересная область науки, называющаяся «поверхностные явления», где разбираются физика и химия взаимодействующих между собой веществ, объектов, и где при рассмотрении на микроуровне происходящих явлений всё наблюдаемое выглядит, с одной стороны, удивительно, а с другой — банально до невозможности! :-)

Мы уже не в первый раз рассматриваем разнообразные поверхностные явления, и в статьях ранее узнали, что, например, при трении двух объектов с кристаллической решёткой (для простоты рассмотрения) их поверхности представляют собой как бы плоскости, выложенные шариками (атомами), где при движении одной поверхности по другой происходит как бы смена «подъёма на макушки шариков» — «падением в ложбинки» между ними, где от размера шариков зависит, соответственно, и размер ложбинок между ними, а, сследовательно, и сила трения!

Смазка же, грубо говоря, работает таким образом, что представляет собой вещество с меньшего размера атомами, и, когда смазку намазывают между двумя трущимися поверхностями с кристаллической решёткой — то, по сути, «засыпают ямы» между атомами трущихся поверхностей мелкими шариками (атомами смазки)!

В итоге и получаются как бы «дорожные работы на микроуровне» — трущиеся поверхности выравниваются относительно друг друга и скользят без подъёма на вершины и падения в ложбинки. Вот такой забавный факт…

Однако это несколько механистический пример, упрощающий картину, и гораздо более близким для нас был бы пример трения между молекулярными поверхностями, например полимерами, где смазка прочно связывается с поверхностью. Так как такие поверхности, как правило, содержат полярные молекулы (т. е. части самой молекулы имеют ярко выраженный заряд из-за избытка или недостатка электронов), то, правильно подобрав смазку (также состоящую из полярных молекул или даже нейтральных атомов), можно добиться того, что смазка в буквальном смысле электростатически плотно прилипает к поверхности (т. к. противоположные заряды притягиваются — в случае полярных молекул или индуцированной полярности в случае атома смазки и молекул поверхности).

Таким образом оказывается, что каждая поверхность плотно покрыта смазкой, а между ними остался слой непрореагировавшей смазки, и трение, по сути, происходит между слоями смазки, а поверхности вообще не касаются друг друга (а трение, соответственно, падает чуть ли не до нуля)...

Совсем недавно мы узнали, что подобные силы притяжения между веществами на микроуровне могут быть очень существенными — например, обычное смазывание мыльной водой, например, стеклянной поверхности, позволяет с лёгкостью резать стекло, так как в микротрещины (т. е. раздвижку между атомами) начинает с огромной силой и скоростью втягиваться поверхностно-активное вещество мыльной воды, оказывая давление на стенки трещины в более чем 1000 атмосфер и многократно увеличивая этим малую силу человека!

Таким образом, исходя из всего этого, можно сказать, что задача уменьшения смачиваемости (т. е., грубо говоря, «слипаемости» объектов) лежит в области уменьшения поверхностной энергии — как это называет наука.

То есть создания таких условий, чтобы поверхности, или, как минимум, одна из них, были таковыми, чтобы практически не могли (или не могли вовсе) притягивать молекулы/атомы целевого вещества — то есть были максимально электростатически нейтральны.

В литературе, говоря об этом вопросе, обычно подразумевают некий «угол смачиваемости» — под которым, по сути, имеют в виду степень растекания капли по поверхности в зависимости от величины сил электростатического притяжения между веществами:

Таким образом, в общем случае, при решении этой задачи нужно стремиться к тому, чтобы угол был равен 90°.

Как этого добиться?

Борьбу со смачиваемостью можно разделить условно на два направления:

1 направление: как логично было бы предположить (и это будет правдой) — одним из наиболее распространённых направлений является собственно уменьшение поверхностной энергии, что достигается с помощью либо создания поверхности из материала с низкой поверхностной энергией (реже), либо обработки поверхности сторонним веществом, уменьшающим её энергию (чаще).

Если посмотреть на состав широко распространённых спреев для водоотталкивания, то легко убедиться, что в их составе в основном содержатся два компонента: кремнийорганические соединения (т. е. силиконы — в более дешёвых вариантах) и фторполимеры (в более дорогих случаях).

Относительная дешевизна первых и относительная дороговизна вторых обусловливаются технологией производства, где первые производить проще.

Если кому интересно, то я тут нашёл некоторый рейтинг водоотталкивающих средств в виде спреев — возможно, кому-то будет полезно.

2 направление: как мы выяснили, основной силой, влияющей на смачивание, является электростатическая, и, исходя из этого, также можно было бы выдвинуть гипотезу, что простое отодвигание двух взаимодействующих между собой поверхностей друг от друга существенно уменьшит и электростатические силы взаимодействия между ними.

Собственно говоря, именно это и наблюдается в живой природе, полностью подтверждая гипотезу — многие листья растений, поверхность тел насекомых покрыты таким микрорельефом, который попросту минимизирует взаимодействие поверхностей друг с другом, отодвигая их на некоторое расстояние.

Причём, что интересно, в природе подобное используется как для полного отталкивания воды, так и для отталкивания и удержания одновременно!

Например, посмотрим на картинку ниже:

Слева показан лепесток розы, который, как видно, содержит микроскладки и нановолоски, а справа показан лист лотоса, весь покрытый выростами и микроволосками.

Соответственно, отличается и поведение: роза слева как отталкивает воду, так и удерживает её одновременно — в итоге капля воды практически сохраняет шарообразную форму.

В явном виде описания этого я не нашёл, однако, по моим предположениям, этот механизм может служить для уменьшения испаряемости воды (роза всё-таки «сухопутная») за счёт уменьшения её растекания; и одновременно вся структура поверхности служит для удержания воды без скатывания (испарение уменьшили, а теперь надо бы сохранить воду).

Справа можно видеть абсолютно противоположный случай — лист водяного лотоса, структура поверхности которого полностью служит целям отталкивания воды (предполагаю, что это естественным образом вытекает из водного характера растения, где воды для него хватает с избытком и, наоборот, нужно от неё избавляться).

Грубые расчёты показывают, что достаточно разнести поверхности друг от друга на расстояние в несколько нанометров, чтобы сила их взаимного электростатического притяжения стала настолько малой, чтобы ею можно было пренебречь — собственно, что мы и видим в природе.

Любопытно, что если обратиться к ссылке выше, где я приводил рейтинг водоотталкивающих средств, то в описании некоторых из них можно видеть, что, кроме прочего, они «создают микроструктуру поверхности», где подобное, предположительно, достигается за счёт самоорганизации веществ смеси, при высыхании образующих такую микроструктуру.

Таким образом, мы здесь видим, как бы гибридный подход между первым и вторым вариантами — и химическая нейтрализация поверхностной энергии, и физическое отдаление поверхностей друг от друга…

Кстати говоря, подобный гибридный подход можно легчайшим образом воспроизвести самостоятельно! Никогда не догадаетесь как! :-D 

Для этого всего лишь потребуется закоптить поверхность обычной свечкой! Что в результате этого произойдёт: продукты неполного сгорания парафина покроют поверхность «жирной сажей» (которая сама по себе имеет минимальную энергию поверхности), где, кроме того, сама сажа ложится на поверхность не просто в виде ровного покрытия, а в виде микрорельефа, и, таким образом, подобное покрытие позволяет демонстрировать довольно удивительную силу водоотталкивания! 

Впрочем, как и другие способы, например, в видео ниже была протестирована обработка сетки или сетчатой структуры:

• Натирка пищевым жиром (3:40);

• Натирка оливковым маслом (4:33);

• Покрытие водоотталкивающим спреем (9:33);

• Покрытие копотью (5:34, 9:12);

• Покрытие воском (6:08, 8:54).

Как мы видим, все эти способы отлично работают (хотя и выглядят весьма странно в процессе!) и вполне себе позволяют «носить воду в решете»!

Причём, что интересно, например, в случае покрытия копотью, по моим прикидкам, диаметр отверстий был порядка 2 мм, что никоим образом не помешало воде успешно удерживаться! Удивительно!

Глядя на это всё, у меня зародилась мысль, что было бы очень интересно создать одежду, чуть ли не из сетки, которая отлично вентилировалась бы и отводила влагу от тела, где при этом, в то же время, успешно удерживала воду — например, дождь! В теории штука получилась бы эпичная, на голову превосходящая мембранные технологии! «Дырявый зонт» или «одежда из сетки» как вам? :-D

Насколько мне удалось выяснить, подобная мысль пришла не только мне и полностью находится в тренде науки — скажем, уже разработаны интересные материалы, состоящие из сеток мелкого плетения (размер ячеек не превышает 125 микрон, где сам класс материалов носит название Hydrophobic Mesh), прямо в процессе производства пропитанные фторполимерными материалами. 

В результате чего, как заявляют сами производители, получается весьма доступный и эффективный материал, более дешёвый, чем любая мембранная технология, который отводит испаряющуюся от тела влагу в газообразном виде намного эффективнее, чем любая мембрана (что неудивительно, это же просто сетка!), и в то же время из-за почти полного отсутствия смачиваемости не даёт проникать влаге снаружи:

Хочу сказать, что в процессе размышления над всем этим, у меня появилась одна довольно поразительная мысль, как ещё можно было бы реализовать гидрофобность (и теория говорит, что это реально), причём, как никто ещё не делал. ;-) Итак...

Некоторое время назад мы узнали о таком интересном эффекте, который называется электросмачиванием, и увидели, что он довольно широко используется в массе сфер.

Особенно наглядно это проявляется в микрофлюидных технологиях из области медицины и биологии: массив металлических электродов внизу и прозрачный электрод наверху (нанесённый прямо на стекло) позволяют в широчайших пределах манипулировать каплями жидкости, создавая миниатюрные реакторы, где разделяются и смешиваются реагенты.

В целях наглядности это может быть даже продемонстрировано в виде своеобразной компьютерной игры (хотя это просто демонстрационный показ, суть которого существенно глубже):

Подобным образом для области медицины создают микрофлюидные чипы, впаянные в плату и содержащие сложную систему микротрубок и реакторов, позволяющих за считанные минуты производить сложный анализ крови, обнаружение вирусов и т. д.

То есть из этого мы поняли, что с помощью электричества можно очень легко манипулировать жидкостями!

А теперь предположим, что две сетки из покрытых изоляцией электродов расположены на небольшом расстоянии друг от друга — например, где расстояние является таким же, как и размер ячейки.

Дальше вы, наверное, уже поняли: подаём напряжение питания на обе эти сетки — и создаём конденсатор! О_о

Где жидкость стремится просочиться сквозь нижнюю сетку — но не может этого сделать! Почему? А потому что она тоже поляризована и её притягивает к верхней сетке! О_о

Замыкания нет, тока практически нет, и остаётся только ничтожный ток саморазряда конденсатора! О_о

Вуаля: электрически управляемая гидрофобность!

А теперь предположим, что две эти сетки выполнены в виде микросеток, интегрированных в поверхность одежды, — и такая одежда приобретает свойство гидрофобности, причём не теряющееся со временем!

Успевай только заряжать аккумуляторы вовремя,
если не хочешь, чтобы труселя промокли! :-D

А теперь следите за пальцами, потому что можно ещё круче: предположим, одна сетка смещена относительно другой, через один электрод.

Зачем это надо? А вот зачем: благодаря этому мы создаём стоячую волну в жидкости, подавая питающее напряжение на электроды сеток таким образом, что максимумы и минимумы стоячей волны находились ровно напротив отверстий сетки (достигается подбором частоты питающего напряжения).

Картинка ниже несколько утрированная, в реальности всё между электродами залито жидкостью и колеблются только волны в ней:

Картинка выше была нарисована несколько ранее, и, ещё поразмыслив над ней, я понял, что даже смещать сетки друг относительно друга не обязательно, — всё распрекрасно работает и за счёт простого подбора частоты питающего напряжения!

Что такое стоячая волна (если кто забыл), показано на картинке ниже, чёрной линией:

Что мы имеем в итоге? Мгновенное выбрызгивание воды из отверстий! О_о

И даже более того: вода, только упавшая на поверхность сетки, мгновенно распыляется! (итс а рейнинг мэн… ну или как там… :-D).

Недурственно? ;-)

Беглый поиск показывает, что ничего подобного на данный момент не существует и это моя мысль вполне себе новшество...:-)

© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»