Hvilke planter kan lære os om rensning af olieudslip og mikrofluidik

Årevis, forskere er blevet inspireret af naturen til at innovere løsninger på vanskelige problemer, selv olieudslip - menneskeskabte katastrofer med ødelæggende miljømæssige og økonomiske konsekvenser. En ny USC -undersøgelse tager et fingerpeg om bladstruktur til at fremstille materiale, der kan adskille olie og vand, hvilket kan føre til sikrere og mere effektive metoder til oprydning af olieudslip.

Ud over, materialet er i stand til at "manipulere med mikrodråber, "eller overførsel af miniaturemængder af væske. Dråbe-baserede mikrofluidik er et værktøj, der bruges i forskellige applikationer som cellekulturer, kemisk syntese og DNA -sekventering.

Ved hjælp af 3D-udskrivning, Lektor Yong Chen og hans forskerhold ved Daniel J. Epstein School of Industrial and Systems Engineering ved USC Viterbi School of Engineering har med succes efterlignet et biologisk fænomen i planteblade kaldet "Salvinia -effekt". Deres undersøgelse fokuserer på en flydende bregne hjemmehørende i Sydamerika kaldet Salvinia molesta. De unikke blade er superhydrofobe, betyder "vandfrygt" og bevarer en omgivende luftlomme, når den er nedsænket i vand på grund af tilstedeværelsen af ​​vandtætte hår.

"Jeg tror, ​​grunden til at plantens overflade er superhydrofob, er fordi den lever på vandet og kræver luft for at overleve, "Yang Yang, en postdoktor i Chens team, sagde. "Hvis det ikke var for denne plantes langsigtede udvikling, planten kunne være nedsænket i vand og ville dø. "

Vandafvisende struktur

På et mikroskopisk niveau, bladhårene flugter i en struktur, der ligner et æg-piskeris, eller kogepisker. Chen forklarer, at Salvinias bladoverflade består af denne såkaldte "æg-pisker" -struktur, der er superhydrofob.

Ved hjælp af en metode kaldet nedsænket overfladeakkumulering 3-D-udskrivning (ISA-3D-udskrivning), forskergruppen har med succes oprettet æg-piskerens mikrostruktur i prøver fremstillet af plast- og kulstofnanorør. Chen forklarer, at metoden tillod teamet at demonstrere fremstilling af et materiale med både superhydrofobe og olephile (olieabsorberende) egenskaber, der, når det kombineres, generere kapillarkræfter, der er i stand til meget effektiv olie- og vandadskillelse.

"Vi forsøgte at skabe en funktionel overfladestruktur, der ville være i stand til at adskille olie fra vand, "Sagde Chen." Grundlæggende vi modificerede overfladen af ​​materialerne ved at bruge en 3-D-udskrivningsmetode, der hjalp os med at opnå nogle interessante overfladeegenskaber. "

Holdet har 3D-printet en prototype, med henvisning til en stigende efterspørgsel efter materialer, der effektivt kan adskille olie- og vandblandinger i store vandområder. Til sidst, de håber, at teknologien kan anvendes til fremstilling af materialer i stor skala til at rumme massive olieudslip i havet. Nuværende metoder kræver enorm energi i form af et elektrisk felt eller mekanisk påført tryk.

Mikrofluidikapplikation

"Salvinia-effekt" har også potentiale for teknologi til væskehåndtering, der udfører "manipulation af mikrodråber"-et gennembrud, hvor vedhæftning af væske til en robotarm kan indstilles i overensstemmelse hermed og resultere i overførsel uden tab for meget små mængder væske. Teknikken kan anvendes på utallige måder, hvoraf nogle omfatter dråbe-baserede mikroreaktorer (enheder, der bruges til kemisk syntese), nanopartikelsyntese, vævsteknik, narkotikaopdagelse og overvågning af levering af lægemidler.

Xiangjia Li, en ph.d.-studerende på Chens team og medforfatter af undersøgelsen, siger et eksempel på højtydende manipulation af mikrodråber kan føre til mere effektive blodanalyser for patienter. En robotgreb kunne flytte til forskellige stationer og afgive mikrodråber af blod, der derefter blandes jævnt med forskellige kemikalier til forskellige tests. Ud over, testene kunne være designet til at kontrollere forholdet mellem kemikalie og dråbe og resultere i betydelig bevarelse af kildematerialer og kemiske reagenser.

"Du kan få en robotarm med en griber lavet til at efterligne 'Salvinia -effekt, "" Sagde Li. "Uanset hvilken vej du bevæger armen, Gribekraften er så stor, at en dråbe vil blive vedhæftet. "

Anført af Chen, forskergruppen omfattede også Yang, Li, Professor Qifa Zhou fra Institut for Biomedicinsk Teknik, og kandidatstuderende Xuan Zheng og Zeyu Chen. Deres undersøgelse med titlen "3D-printet biomimetisk superhydrofob struktur til mikrodråbe manipulation og olie/vand adskillelse" er blevet offentliggjort i Vol. 30, Marts 2018 udgave af Avancerede materialer .