SLIPS og faldgruber:Syntetiske overflader inspireret af en kandefældefælde

Vores forståelse af, hvordan man manipulerer og kontrollerer væsker i teknologi, er blevet transformeret af de funktionelle overflader, der er udviklet af levende organismer til at interagere med deres miljø. Vandafvisende lotusblade, vandopsamlende vingekasser af ørkenbiller, og vandfjernende gekkohud er nogle af de mange organismer, der har inspireret til løsninger på udfordringer inden for væskemanipulerende teknologier. Kravet om væskeafvisende overflader infiltrerer industrier fra arkitektur, til medicinsk udstyr, og husholdningsprodukter.

Smørte overflader omtales i en teknologisk sammenhæng som Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS). De lukker vand inde og skaber en selvrensende overflade på metal, plastik og tekstiler til at afvise forurenende stoffer. Interessant nok, SLIPS-teknologien er inspireret af den glatte overflade af en kødædende kandeplante (Nepenthes). Kandeplanter producerer faldgruber, stammer fra blade, at tiltrække, fange, beholde, dræbe og fordøje dyrebytte (normalt insekter) for at sætte dem i stand til at overleve i næringsfattige miljøer. Et nøgletræk ved kanden er peristomet, som har skrånende, makroskopiske kamme, igen består af mikroskopiske kamme. Når det er vådt, Peristomet bliver meget glat, hvilket får insekter til at glide af det, i fælden, hvor de bliver nedbrudt i en pulje af fordøjelsessaft, frigivelse af næringsstoffer til planten.

En mangel i SLIPS har været manglen på drop-solid interaktion, hvilket betyder, at det i sagens natur er vanskeligt at kontrollere væskedråbernes bevægelse på deres overflader. Vigtigere, denne mangel på kontrolleret dråbetransport har begrænset anvendelsen af ​​disse væskeafgivende overflader i dråbebaserede teknologier. Mekanismer til at udnytte den retningsbestemte transport af dråber vil være vigtige for at informere designet af syntetiske overflader, der transporterer dråber på en kontrolleret måde. Sådanne mekanismer kunne anvendes på teknologier som regnvandsopsamling og anti-dugbelægninger, samt til hurtigt ekspanderende nye teknologier såsom Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) og digitale mikrofluidiske enheder.

Undersøgelse af funktionelle overflader i naturen kan også give indsigt i udviklingen af ​​naturlige systemer. Mens fangstmekanismen for kødædende kandeplanter er veldokumenteret, funktionaliteten af ​​rillerne på peristomoverfladen forbliver relativt uudforsket. I vores seneste avis, vi viser, at kapillærvirkning stifter dråber til parallelen, vand-infunderede riller, og styrer deres transport på en kontrolleret måde. Dette indikerer, at "faldgruben"-fangemekanismen er forstærket af den vand-infunderede, riller på den glatte peristomoverflade, som driver bytte i fælden på en måde, der er mere stramt kontrolleret end tidligere antaget, og undgå vilkårlig glidning.

Baseret på vores observationer af myrer, Drosophila fluer, og dråber glider på den glatte peristom, vi skabte kunstige overflader, inspireret af planten, i stand til at fange, fastholdelse og styring af væskedråbernes vandring. Vi skabte forskellige modeller, herunder trin og skyttegrave, hvorpå vi placerede væskedråber og observerede deres adfærd. Dråber i kontakt med træk (analogt med rillerne på det naturlige peristom) blev stærkt klæbende og ville ikke løsne let, men var frie til at glide langs funktionen.

Med andre ord, funktionerne havde en stærk fastholdelsesindflydelse. De fangede og tilbageholdt dråberne, selv når den holdes på hovedet, og kontrollerede dråbevandringsretningen. Desuden, dråberne ville glide langs rillerne i bemærkelsesværdige lavvandede vinkler - selv kun et par grader. Disse resultater afslører en potentiel mekanisme til at udvikle systemer, hvor transporten af ​​dråber styres af buede energirækværker. Disse ville give et biomimetisk middel til at transportere og sortere dråber, som er ligetil at implementere i dråbebaserede væskeanordninger og kunne muliggøre effektiv massetransport af væsker langs forudbestemte veje.