Forbedrede vandafvisende overflader opdaget i naturen

Gennem undersøgelse af insektoverflader, Penn State forskere har detaljeret en tidligere uidentificeret nanostruktur, der kan bruges til at konstruere stærkere, mere modstandsdygtige vandafvisende belægninger.

Resultaterne af denne forskning blev offentliggjort i dag (17. juli) i Videnskabens fremskridt.

Med en forbedret evne til at frastøde dråber, dette design kan anvendes på personligt beskyttelsesudstyr (PPE) for bedre at modstå virusbelastede partikler, såsom COVID-19, blandt andre applikationer.

"I de sidste par årtier, konventionelt designede vandafvisende overflader har normalt været baseret på planter, som lotusblade, " sagde Lin Wang, en ph.d. -studerende i Institut for Materialevidenskab og Teknik i Penn State og hovedforfatter af papiret.

Klassiske ingeniørteorier har brugt denne tilgang til at skabe superhydrofobe, eller vandafvisende, overflader. Traditionelt, de er fremstillet med teksturer med lav fast fraktion, som opretholder et ekstremt tyndt luftlag over en lav tæthed af mikroskopiske, hårlignende nanostrukturer, som forskerne sammenligner med et airhockeybord.

"Begrundelsen er, hvis dråben eller objektet svæver oven på luften, det sætter sig ikke fast på overfladen, " sagde Tak-Sing Wong, Wormleys tidlige karriereprofessor i ingeniørvidenskab, lektor i mekanisk og biomedicinsk teknik og Wangs rådgiver.

Da det virker effektivt, menneskeskabte belægninger har en tendens til at efterligne den lave densitet af disse nanostrukturer.

Imidlertid, dette papir beskriver en helt anden tilgang. Når man undersøger overflader som øjet på en myg, krop af en springhale eller vingen af ​​en cikade under højopløsningselektronmikroskoper, Wang fandt ud af, at de nanoskopiske hår på disse overflader er tættere pakket, omtales i teknik som teksturer med høj fast fraktion. Ved yderligere udforskning, denne betydelige afvigelse fra planternes struktur kan give yderligere vandafvisende fordele.

"Forestil dig, hvis du havde en høj tæthed af disse nanostrukturer på en overflade, " sagde Wang. "Det kunne være muligt at opretholde stabiliteten af ​​luftlaget fra højere stødkræfter."

Dette kan også betyde, at de tættere pakket strukturer kan være i stand til at frastøde væske, der bevæger sig med en højere hastighed, såsom regndråber.

Mens designkonceptet er nyt for mennesker, forskerne teoretiserer denne nanostruktur øger insektets modstandsdygtighed i dets naturlige miljø.

"For disse insektoverflader, at afvise vanddråber er et spørgsmål om liv og død. Regndråbernes slagkraft er nok til at bære dem til jorden og dræbe dem, "Sagde Wang." Så, det er virkelig vigtigt for dem at forblive tørre, og vi fandt ud af hvordan."

Med denne viden hentet fra naturen, forskerne håber at kunne anvende dette designprincip til at skabe næste generation af belægninger. Ved at udvikle en vandafvisende overflade, der kan modstå hurtigere bevægelse og højere støddråber, applikationerne er rigelige.

Fra små, flyvende robotbiler, såsom dronerne, som Amazon håber at levere pakker med, til kommercielle flyselskaber, en belægning, der kan efterligne disse insektoverflader, kunne give øget effektivitet og sikkerhed.

Imidlertid, i lyset af COVID-19-pandemien, forskere har siden indset, at denne viden kan have en yderligere indvirkning på menneskers sundhed.

"Vi håber, når udviklet, denne belægning kunne bruges til PPE. For eksempel, hvis nogen nyser omkring et ansigtsskærm, det er højhastighedsdråber. Med en traditionel belægning, disse partikler kan klæbe til overfladen af ​​PPE, " sagde Wong. "Men hvis designprincipperne beskrevet i dette papir blev vedtaget med succes, det ville have evnen til at afvise disse dråber meget bedre og potentielt holde overfladen bakteriefri."

Som det ses i dette arbejde, Wong Laboratory for Nature Inspired Engineering henter indsigt fra biologiske fænomener for at gøre menneskehedens innovationer bedre og mere effektive.

"Selvom vi ikke forestillede os den ansøgning i begyndelsen af ​​dette projekt, COVID-19 fik os til at tænke over, hvordan vi kan bruge dette designprincip til at gavne flere mennesker, " sagde Wong. "Det er op til os som ingeniører at tage disse opdagelser og anvende dem på en meningsfuld måde."

Det næste skridt i dette arbejde vil være at udvikle en stor skala, omkostningseffektiv metode, der kan fremstille en belægning for at efterligne disse egenskaber.

"I fortiden, vi havde ikke en effektiv overflade, der kunne frastøde højhastigheds vanddråber, ”Sagde Wong.” Men insekterne fortalte os hvordan. Der er så mange eksempler som dette i naturen; vi skal bare lære af dem."