Ingeniører bruger varmefri teknologi til at lave metalliske replikaer af en roses overfladetekstur

Naturen har arbejdet i evigheder for at perfektionere overfladeteksturer, der beskytter, gemme og på anden måde hjælpe alle slags væsner med at overleve.

Der er det skinnende, lysspredende tekstur af blå morpho sommerfuglevinger, det barske, træk-reducerende tekstur af hajskind og klæbrig, alligevel vandafvisende tekstur af rosenblade.

Men hvordan bruger man disse naturlige teksturer og egenskaber i den konstruerede verden? Kunne den vandafvisende, ultrahydrofob tekstur af en lotusplante på en eller anden måde påføres en flyvinge som en anti-isningsanordning? Tidligere forsøg har involveret støbning af polymerer og andre bløde materialer, eller ætsning af mønstre på hårde materialer, der manglede nøjagtighed og var afhængige af dyrt udstyr. Men hvad med at lave billig, støbte metalliske biostrukturer?

Iowa State Universitys Martin Thuo og de studerende i hans forskningsgruppe har fundet en måde i deres stræben efter "sparsommelig videnskab/innovation, " hvad han beskriver som "evnen til at minimere omkostninger og kompleksitet og samtidig levere effektive løsninger til at forbedre de menneskelige forhold."

Til dette projekt, de tager deres tidligere udvikling af flydende metalpartikler og bruger dem til at lave perfekt støbte metalliske versioner af naturlige overflader, inklusive et rosenblad. De kan gøre det uden varme eller tryk, og uden at beskadige et kronblad.

De beskriver den teknologi, de kalder BIOMAP i et papir, der for nylig blev offentliggjort online af Angewandte Chemie , et tidsskrift fra German Chemical Society. Thuo, en lektor i materialevidenskab og teknik med en høflighedsansættelse i elektro- og computerteknik, er den tilsvarende forfatter. Medforfattere er alle Iowa State-studerende i materialevidenskab og teknik:Julia Chang, Andrew Martin og Chuanshen Du, ph.d.-studerende; og Alana Pauls, en bachelor.

Iowa State støttede projektet med royalties af intellektuel ejendom genereret af Thuo.

"Dette projekt kommer fra en observation af, at naturen har en masse smukke ting, den gør, " sagde Thuo. "Lotusplanten, for eksempel, lever i vand, men bliver ikke våd. Vi kan godt lide de strukturer, men vi har kun været i stand til at efterligne dem med bløde materialer, vi ville bruge metal."

Nøglen til teknologien er mikroskala partikler af underkølet flydende metal, oprindeligt udviklet til varmefri lodning. Partiklerne dannes, når små dråber af metal (i dette tilfælde Field's metal, en legering af vismut, indium og tin), er udsat for ilt og belagt med et oxidationslag, at fange metallet inde i flydende tilstand, selv ved stuetemperatur.

BIOMAP-processen bruger partikler af varierende størrelse, alle kun få milliontedele meter i diameter. Partiklerne påføres en overflade, dækker det og formtilpasser alle sprækker, huller og mønstre gennem de autonome processer af selvfiltrering, kapillartryk og fordampning.

En kemisk trigger forbinder og størkner partiklerne til hinanden og ikke til overfladen. Det gør det muligt at løfte solide metalliske kopier af, skabe en negativ relief af overfladeteksturen. Positive relieffer kan laves ved at bruge den omvendte replika til at skabe en form og derefter gentage BIOMAP-processen.

"Du løfter det af, det ser præcis det samme ud, " sagde Thuo, bemærkede, at ingeniørerne kunne identificere forskellige kultivarer eller roser gennem subtile forskelle i de metalliske replikaer af deres teksturer.

Vigtigt, replikaerne beholdt overfladernes fysiske egenskaber, ligesom i elastomerbaseret blød litografi.

"Metalstrukturen bevarer disse ultrahydrofobe egenskaber - præcis som en lotusplante eller et rosenblad, " sagde Thuo. "Sæt en dråbe vand på et rosenblad af metal, og dråben klæber, men på et metallotusblad flyder det bare af."

Disse egenskaber kunne anvendes på flyvinger for bedre afisning eller for at forbedre varmeoverførslen i klimaanlæg, sagde Thuo.

Det er sådan en lille sparsommelig innovation "kan forme de sarte strukturer af et rosenblad til en solid metalstruktur, " sagde Thuo. "Dette er en metode, som vi håber vil føre til nye tilgange til fremstilling af metaloverflader, der er hydrofobe baseret på strukturen og ikke belægningerne på metallet."