Inżynier, który zakończył bitwę na butelkę ketchupu

KEN RICHARDSON

Zaczęło się od butelki miodu.

Kripa Varanasi i jego żona Manasa byli w domu, a ona próbowała zrobić przekąskę dla ich małego syna. Próbowała nabrać łyżeczką miodu, sfrustrowana tym, jak trudno było wydobyć ostatnie kawałki lepkiej słodyczy z dna pojemnika. W końcu zwróciła się do męża. Pracujesz na śliskich rzeczach, powiedziała. Dlaczego nie możesz zrobić śliskiej butelki?

Varanasi, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej, mówi, że od razu wiedział, że to był właśnie pomysł, którego szukał: pomyślałem, że to genialne!

Oboje omawiali szczegóły nowej firmy, którą on i jeden z jego studentów, David Smith, właśnie uruchomili, aby skomercjalizować wynalazek, który opracowali w ramach pracy doktorskiej Smitha. Po znalezieniu sposobu na wykonanie bardzo śliskich powierzchni, szukali zastosowania w świecie rzeczywistym. Ale pomysły, które wpadli, po prostu nie były skuteczne – dopóki Manasa nie uderzył w słoik z miodem.

Pięć lat później ta firma, o nazwie LiquiGlide, właśnie zamknęła drugą rundę kapitału wysokiego ryzyka – w sumie ponad 24 miliony dolarów finansowania. LiquiGlide ma już kontrakty z ponad 70 firmami, aby wprowadzić na rynek różne wersje swoich śliskich powłok, niektóre z nich przeznaczone do kontaktu z żywnością w postaci butelek z keczupem i klejem, słoików kosmetycznych, puszek po farbach, kadzi do mieszania produktów agrochemicznych i nie tylko. .

Ostatnio Varanasi nieźle się bawiło. Założył także drugą firmę, której współpraca z dużymi partnerami przemysłowymi ma wpłynąć na światową emisję dwutlenku węgla. Film przedstawiający wynalazek stojący za LiquiGlide – pokazujący ketchup wysuwający się bez wysiłku z butelki – został obejrzany na YouTube ponad dwie trzecie miliona razy. W ciągu ostatniego tygodnia był prezentowany w BBC, CNN, NBC i innych stacjach krajowych i międzynarodowych. A on i jego żona mieli drugie dziecko w listopadzie, zaledwie rok po tym, jak otrzymał posadę profesora MIT.

Ken Richardson

Ale koncepcja tego początkowego, śliskiego wynalazku, która doprowadziła do tego Aha! ten moment, trwał od lat.

Odkąd był dzieckiem dorastającym w Hyderabadzie w południowych Indiach, Varanasi pasjonował się majsterkowaniem, wymyślaniem i odkrywaniem, jak to wszystko działa. Jako dziecko matki nauczycielki fizyki i ojca inżyniera elektryka oraz wnuk dwóch nauczycieli, nie brakowało mu mentorów i korepetytorów, ponieważ budował układy elektroniczne z zestawów, pochłaniał książki do matematyki i tworzył projekty na konkursy naukowe. Zdobył upragnione miejsce w jednej z elitarnych szkół inżynierskich w kraju, IIT Madras, a stamtąd przeszedł do MIT, zdobywając doktorat z inżynierii mechanicznej w 2004 roku. Po prawie pięciu latach pracy w GE, wrócił do MIT w 2009 roku dołączyć do wydziału inżynierii mechanicznej. I tam naprawdę zaczął się wgląd w śliskie powierzchnie.

Chciałem mieć laboratorium, które poprawi wydajność w wielu gałęziach przemysłu, mówi Varanasi. I miał przeczucie, że skupienie się na interfejsach może się przydać. Pracując nad rzeczywistymi problemami w różnych gałęziach przemysłu, rzeczywiście zaczął dostrzegać wspólny wątek: nieefektywność często wynikała ze sposobu, w jaki materiały zachowują się na powierzchniach fazowych, w miejscach, w których powierzchnia ciała stałego styka się z cieczami, gazami lub innymi ciałami stałymi . Na przykład na skrzydłach samolotu para wodna zamienia się w lód, zwiększając ciężar i zmniejszając siłę nośną. Na skraplaczach w elektrowni gorąca para styka się z chłodnymi powierzchniami, aby przekształcić się, niezbyt wydajnie, w ciecz, która następnie może wrócić do kotła w celu ponownego odparowania. W rurociągach przepływ ropy i gazu może zostać spowolniony lub nawet zablokowany przez zamarznięte hydraty metanu, które przyklejają się do ścian rur.

Varanasi odkrył, że drobne zmiany w tych interfejsach mogą przynieść duże rezultaty. Aby zapobiec zatkaniu rurociągów i oblodzonych skrzydeł samolotu, potrzebował sposobu na zapobieganie przywieraniu wody lub innych płynów do powierzchni. Więc on i jego uczniowie zaczęli od dokładnego zbadania, co się dzieje w tych sytuacjach na poziomie atomowym i molekularnym. Przeprowadzili modelowanie w oparciu o fundamentalne prawa fizyki, a następnie zbadali proces zwilżania w mikroskopijnych szczegółach w laboratorium.

Zapobieganie przywieraniu wody do powierzchni wiąże się z właściwością zwaną hydrofobowością (dosłownie strach przed wodą) lub, w bardziej ekstremalnej postaci, superhydrofobowością. Wiele laboratoriów na całym świecie pracuje nad opracowaniem superhydrofobowych powierzchni, ale Varanasi i jego zespół pchnęli tę właściwość w nowym kierunku. Stworzyli powierzchnie, z których wycieka wiele rodzajów płynów, a inne pozostają bardzo trwałe, nawet w trudnych warunkach, takich jak elektrownie pełne gorącej pary.

Spostrzeżenia, które zapoczątkowały LiquiGlide, pojawiały się stopniowo. Varanasi postanowił znaleźć sposób na stworzenie wiecznie śliskiej powierzchni, która mogłaby być używana z różnymi płynami. Porównuje problem do pieczenia naleśnika na patelni: aby się nie przywierał, pokrywasz patelnię warstwą oleju, ale olej należy uzupełnić, gdy dodasz więcej ciasta. Co by było, gdyby istniał sposób, aby olej pozostał na patelni?

I tu pojawiła się podstawowa fizyka. Varanasi i Smith zdali sobie sprawę, że tworząc powierzchnię o wystarczająco drobnej teksturze w mikroskali lub nanoskali, mogą wykorzystać siły kapilarne — to samo, co pozwala wodzie unosić się w małych wewnętrznych przejściach drzewa — aby utrzymać smar na swoim miejscu. I rzeczywiście, po wielu eksperymentach z różnymi rodzajami tekstur i smarów, znaleźli kombinacje, które osiągnęły właśnie to: mogli tworzyć wzór na powierzchni poprzez nacinanie lub wytrawianie (lub później przez natryskiwanie specjalnej powłoki), a następnie warstwę oleju lub innego smaru nałożonego na tę powierzchnię będzie trwale zakotwiczone w jej maleńkich szczelinach. Udało się, a powłoki okazały się niezwykle trwałe.

Kiedy opatentowali proces, początkowo skupili się na powłokach skraplaczy w elektrowniach parowych. Doszli do wniosku, że poprzez skłonienie tych kondensatorów do wyrzucania kropel wody szybciej w trakcie ich powstawania, mogą poprawić ogólną wydajność elektrowni. Nawet niewielka poprawa może znacząco obniżyć globalną emisję dwutlenku węgla.

Demonstracja przedstawiająca spływanie farby ze standardowej niepowlekanej puszki po farbie (po lewej) i puszki z powłoką LiquiGlide (po prawej) sugeruje, ile odpadów produktu można wyeliminować w dużych zbiornikach na farbę.

Okazało się jednak, że to ciężka walka o znalezienie klientów gotowych zapłacić za instalację na dużą skalę, która nie została sprawdzona operacyjnie. Zaczęli więc myśleć o produktach konsumenckich. Co mogli zrobić dzięki temu procesowi, który nie był kapitałochłonny i można go było bezpośrednio sprzedać?

Wtedy pojawiła się sugestia Manasy. Próbki, które testowali w laboratorium, były płaskimi powierzchniami i tak naprawdę nie myśleli zbyt wiele o powlekaniu skomplikowanych zakrzywionych powierzchni, ale przy odrobinie pracy odkryli, że ich proces rzeczywiście może dobrze działać w przypadku pojemników. Smith przygotował zestaw demonstracji, używając nietoksycznych powlekanych pojemników na majonez, miód, keczup i pastę do zębów. Nakręcił krótkie filmy pokazujące wyniki, a jeden z nich szybko stał się wirusowy.

Pasta do zębów w przygotowanym pojemniku (po prawej) łatwo zsuwa się na dno butelki.

Butelka ketchupu – naczynie, które słynie z zachowania swojej zawartości pomimo bicia, potrząsania i namawiania – była tym, co naprawdę przyciągnęło uwagę ludzi. I dzięki takiemu podejściu zorientowanemu na konsumenta, firma się rozwinęła.

Teraz LiquiGlide testuje i modyfikuje niestandardowe wersje swoich powłok, aby działały z szeroką gamą gęstych, lepkich cieczy. Może to być pomocne na przykład dla producentów farb, którzy tracą do 30 procent produkcji, gdy farba przykleja się do zbiorników mieszających i musi być spłukana dużą ilością wody, która zostaje zanieczyszczona w trakcie procesu.

W samej branży lakierniczej tracą około 200 milionów ton produktu i produkują miliony galonów ścieków, więc wszystko to składa się na mnóstwo zmarnowanych dolarów, mówi Varanasi.

A to tylko jeden z jego innowacyjnych startupów. Trzy lata temu wraz ze współpracownikiem rektora MIT Karen Gleason założyli kolejną firmę o nazwie DropWise, która wykorzystuje bardzo trwałą superhydrofobową powierzchnię przeznaczoną do skraplaczy w elektrowniach parowych oraz w trudnych warunkach, takich jak operacje wiertnicze naftowe i gazowe. Jeszcze inna firma jest na najwcześniejszym etapie, ma zaledwie kilka miesięcy i wciąż działa w trybie ukrycia. Naprawdę myślę o nauce jako o sposobie na umożliwienie projektowania. I myślę, że to właśnie sprawiło, że tak się stało, mówi Varanasi. Ale mogłoby się nie wydarzyć, gdyby nie ten jeden irytujący słoik miodu.

ukryć