Bio-inspireret belægning modstår væsker

Efter en regn, det skålede blad på en kandeplante bliver en praktisk talt friktionsfri overflade. Sødt duftende og elegant, kødæderen tiltrækker myrer, edderkopper, og endda små frøer. En efter en, de glider til deres undergang.

Ved at vedtage plantens glatte strategi, en gruppe anvendte forskere ved Harvard har skabt et materiale, der afviser stort set enhver form for væske, inklusive blod og olie, og gør det selv under barske forhold som højt tryk og frostgrader.

Den bio-inspirerede væskeafvisningsteknologi, beskrevet i 22. september-udgaven af Natur , skal finde anvendelser inden for biomedicinsk væskehåndtering, brændstof transport, og antibegronings- og anti-isningsteknologier. Det kan endda føre til selvrensende vinduer og forbedrede optiske enheder.

"Inspireret af kandeplanten, vi udviklede en ny belægning, der udkonkurrerer sine naturlige og syntetiske modstykker og giver en enkel og alsidig løsning til væske- og faststofafvisning, " siger hovedforfatter Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialevidenskab ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Direktør for Kavli Institute for Bionano Science and Technology på Harvard, og et Core Faculty-medlem ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard.

Derimod nuværende avancerede væskeafvisende overflader har taget spor fra et andet medlem af planteverdenen. Lotusens blade modstår vand på grund af de små mikroteksturer på overfladen; dråber balancerer på puden af ​​luft på spidserne af overfladen og perler op.

Den såkaldte lotuseffekt, imidlertid, fungerer ikke godt til organiske eller komplekse væsker. I øvrigt, hvis overfladen er beskadiget (f.eks. ridset) eller udsat for ekstreme forhold, flydende dråber har en tendens til at klæbe til eller synke ned i teksturerne i stedet for at rulle væk. Endelig, det har vist sig dyrt og vanskeligt at fremstille overflader baseret på lotusstrategien.

Kandeplanten har en fundamentalt anderledes tilgang. I stedet for at bruge grat-lignende, luftfyldte nanostrukturer til at afvise vand, planten låser sig i et vandlag, skabe en glat belægning på toppen. Kort sagt, selve væsken bliver den afvisende overflade.

"Effekten ligner, når en bil flyver, dækkene bogstaveligt talt glider på vandet i stedet for vejen, " siger hovedforfatter Tak-Sing Wong, en postdoc i Aizenberg-laboratoriet. "I tilfælde af de uheldige myrer, olien på bunden af ​​deres fødder vil ikke klæbe til den glatte belægning på planten. Det er som olie, der flyder på overfladen af ​​en vandpyt."

Inspireret af kandeplantens elegante løsning, forskerne udformede en strategi til at skabe glatte overflader ved at infundere et nano/mikrostruktureret porøst materiale med en smørevæske. De kalder de resulterende bio-inspirerede overflader "SLIPS" (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces).

"Ligesom krukkeanlægget, SLIPS er glatte for insekter, men de er nu designet til at gøre meget mere:de afviser en lang række væsker og faste stoffer, " siger Aizenberg. SLIPS viser stort set ingen retention, da meget lidt hældning er nødvendig for at få væsken eller det faste stof til at glide ned og væk fra overfladen.

"Den afvisende væskeoverflade giver yderligere fordele, da den i sig selv er glat og fri for defekter, " siger Wong. "Selv efter at vi har beskadiget en prøve ved at skrabe den med en kniv eller et blad, overfladen reparerer sig selv næsten øjeblikkeligt, og de afvisende egenskaber forbliver, gør SLIPS selvhelende." I modsætning til lotus, SLIPS kan gøres optisk gennemsigtige, og derfor ideel til optiske applikationer og selvrensende, klare overflader.

Ud over, den næsten friktionsfri effekt varer ved under ekstreme forhold:høje tryk (så meget som 675 atmosfærer, svarende til syv kilometer under havet) og fugtighed, og i koldere temperaturer. Holdet gennemførte undersøgelser udenfor efter en snestorm; SLIPS modstod de frysende temperaturer og afviste endda is.

"Ikke kun er vores bio-inspirerede overflade i stand til at arbejde under en række forskellige forhold, men den er også enkel og billig at fremstille, " siger medforfatter Sung Hoon Kang, en ph.d. kandidat i Aizenberg-laboratoriet. "Det er let skalerbart, fordi du kan vælge stort set ethvert porøst materiale og en række forskellige væsker."

For at se om overfladen virkelig opfylder naturens høje standarder, de lavede endda et par eksperimenter med myrer. I test, insekterne gled af den kunstige overflade eller trak sig tilbage til sikrere grund efter kun et par frygtsomme skridt.

Forskerne forudser, at den kandeplante-inspirerede teknologi, som de søger patent på, kunne en dag bruges til brændstof- og vandtransportrør, og medicinske slanger (såsom katetre og blodtransfusionssystemer), som er følsomme over for modstand og tryk og er kompromitteret af uønskede væske-overflade-interaktioner. Andre potentielle anvendelser omfatter selvrensende vinduer og overflader, der modstår bakterier og andre former for tilsmudsning (såsom opbygning, der dannes på skibsskrog). Fremskridtet kan også finde anvendelse i isbestandige materialer og kan føre til anti-klæbende overflader, der afviser fingeraftryk eller graffiti.

"Alsidigheden ved SLIPS, deres robusthed og unikke evne til selvhelbredelse gør det muligt at designe disse overflader til brug næsten overalt, selv under ekstreme temperatur- og trykforhold, " says Aizenberg. "It potentially opens up applications in harsh environments, such as polar or deep sea exploration, where no satisfactory solutions exist at present. Everything SLIPS!"