Робот-дельфин с суперспособностями: прорыв в ликвидации разливов нефти
Материал с «шипами» из карбоната бария и графена показал эффективность очистки воды более 97% и был успешно протестирован на роботизированной платформе.
Учёные из Технологического университета Суинбёрна и CSIR‑Института минералов и материалов представили инновационное решение для ликвидации разливов нефти. Ежегодно в мировой океан попадают миллиарды литров углеводородов, что наносит серьёзный ущерб экосистемам. Традиционные методы — такие как применение химических диспергаторов или механический сбор — часто требуют значительных энергетических затрат, могут вызывать вторичное загрязнение или оказываются недостаточно эффективными.
Многие современные водоотталкивающие покрытия для очистки воды содержат фторированные соединения, которые токсичны и крайне устойчивы в окружающей среде. Новая разработка полностью лишена фтора и силанов, что делает её более безопасной альтернативой. Исследователи создали композит на основе карбоната бария, модифицированного олеиновой кислотой, и восстановленного оксида графена. Материал получил название FBC‑rGO.
Структура, вдохновлённая природой
Авторы исследования вдохновлялись скелетом морского ежа. Карбонат бария формирует на поверхности материала структуры, напоминающие иглы, создавая шероховатость микро‑ и наноразмера. Восстановленный оксид графена не только усиливает эту структуру, но и снижает поверхностную энергию.
Такое сочетание позволяет удерживать воздух между «иглами» при контакте с водой, что приводит к экстремальной водоотталкивающей способности. Контактный угол смачивания водой превышает 150°, что классифицируется как супергидрофобность. При этом масла и нефтепродукты мгновенно впитываются в покрытие (угол смачивания близок к нулю), делая материал суперолеофильным.
Исследователи проверили устойчивость покрытия в различных условиях. В тестах на самоочистку оно продемонстрировало способность отталкивать сложные биологические жидкости, включая кровь, слюну и мочу, а также различные напитки — молоко, кофе, чай и соки. Загрязнения легко смывались с поверхности обычной водой, не оставляя следов.
Защита от коррозии и сбор нефти
Покрытие также продемонстрировало высокую эффективность в защите металлов от коррозии. В растворе, имитирующем морскую воду (с 3,5 % хлорида натрия), эффективность ингибирования коррозии никелевой пены превышала 90 %. Это объясняется тем, что плотная иерархическая структура материала создаёт физический барьер, затрудняющий доступ ионов солей к поверхности металла.
Основное применение материала было продемонстрировано при очистке воды от нефти. FBC‑rGO способен поглощать от 15 до 65 граммов различных масел и органических растворителей на один грамм собственного веса. Эффективность разделения масла и воды превышает 97 %.
Высокая эффективность сохранялась даже после десяти циклов использования и механического отжима материала.
Робот‑дельфин на страже экологии
Кульминацией работы стала интеграция нового материала в действующий прототип устройства. Учёные создали миниатюрного робота, форма которого напоминает дельфина. Корпус был напечатан на 3D‑принтере из пластика.
В носовой части робота разместили мембрану из пористого полиуретана, покрытого FBC‑rGO. Внутри корпуса расположены микропомпа, резервуар для собранной нефти, двигатели, камера и модуль Wi‑Fi.
Управление роботом осуществляется дистанционно через мобильное приложение, а камера передаёт видео в реальном времени, позволяя оператору видеть загрязнение и направлять аппарат прямо к нефтяному пятну.
В ходе испытаний робот успешно собирал нефть с поверхности воды со скоростью около 2 миллилитров в минуту, не допуская попадания воды внутрь системы и сохраняя работоспособность как минимум в течение пяти минут непрерывной работы. Такая конструкция позволяет проводить очистку без непосредственного контакта человека с опасными загрязнёнными зонами.
В будущем авторы планируют оснастить подобные устройства системами искусственного интеллекта для полностью автономного поиска и сбора нефтяных разливов.