Sommerfuglevinger inspirerer til nye højteknologiske overflader

En sydamerikansk sommerfugl slog med vingerne, og forårsagede en strøm af nanoteknologisk forskning i Ohio. Forskere her har taget et nyt kig på sommerfuglevinger og risblade, og lærte ting om deres mikroskopiske tekstur, der kunne forbedre en række produkter.

For eksempel, forskerne var i stand til at rense op til 85 procent af støvet fra en belagt plastikoverflade, der efterlignede teksturen af ​​en sommerfuglevinge, sammenlignet med kun 70 procent på en flad overflade.

I et nyligt nummer af tidsskriftet Blødt stof , ingeniørerne fra Ohio State University rapporterer, at teksturerne forbedrer væskegennemstrømningen og forhindrer overflader i at blive snavsede – egenskaber, der kunne efterlignes i højteknologiske overflader til fly og vandfartøjer, rørledninger, og medicinsk udstyr.

"Naturen har udviklet mange overflader, der er selvrensende eller reducerer modstand, " sagde Bharat Bhushan, Ohio Eminent Scholar og Howard D. Winbigler Professor i maskinteknik ved Ohio State. "Reduceret luftmodstand er ønskeligt for industrien, om du prøver at flytte et par dråber blod gennem en nanokanal eller millioner gallon råolie gennem en rørledning. Og selvrensende overflader ville være nyttige til medicinsk udstyr – katetre, eller noget, der kan indeholde bakterier. "

Bhushan og ph.d.-studerende Gregory Bixler brugte et elektronmikroskop og en optisk profiler til at studere vingerne fra Giant Blue Morpho sommerfuglen (Morpho didius) og blade fra risplanten Oriza sativa. De støbte plastikkopier af begge mikroskopiske teksturer, og sammenlignede deres evne til at afvise snavs og vand med kopier af fiskeskæl, hajskind, og almindelige flade overflader.

Fælles for Central- og Sydamerika, Blue Morpho er en ikonisk sommerfugl, værdsat for sin strålende blå farve og iris. Ud over dens skønhed, den har evnen til at kaste snavs og vand af med et flagren af ​​vingerne.

For en sommerfugl ude i naturen, at holde sig ren er et kritisk spørgsmål, Bhushan forklarede.

"Deres vinger er så sarte, at det at få snavs eller fugt på dem gør det svært at flyve, sagde han. Plus, hanner og hunner genkender hinanden på farven og mønstrene på deres vinger, og hver art er unik. Så de er nødt til at holde deres vinger lyse og synlige for at reproducere."

Elektronmikroskopet afslørede, at Blue Morphos vinger ikke er så glatte, som de ser ud med det blotte øje. I stedet, overfladeteksturen ligner et klaptag med rækker af overlappende helvedesild, der stråler ud fra sommerfuglens krop, antyder, at vand og snavs ruller af vingerne "som vand fra et tag, "Sagde Bhushan.

Risbladene gav et mere surrealistisk landskab under lup, med rækker af mikrometer- (milliontedele af en meter) riller, hver dækket med endnu mindre, nanometer- (milliarddele af en meter) store bump – alle vinklet for at lede regndråber til stilken og ned til plantens bund. Bladet havde også en glat voksagtig belægning, som holder vanddråberne til at flyde med.

Forskerne ønskede at teste, hvordan sommerfuglevinger og risblade kan vise nogle af egenskaberne ved andre overflader, de har undersøgt, såsom hajskind, which is covered with slippery, microscopic grooves that cause water to flow smoothly around the shark. They also tested fish scales, and included non-textured flat surfaces for comparison.

After studying all the textures close up, the researchers made molds of them in silicone and cast plastic replicas. To emulate the waxy coating on the rice leaves and the slippery coating on shark skin (which in nature is actually mucous), they covered all the surfaces with a special coating consisting of nanoparticles.

In one test, they lined plastic pipes with the different coated textures and pushed water through them. The resulting water pressure drop in the pipe was an indication of fluid flow.

For a pipe about the size of a cocktail straw, a thin lining of shark skin texture coated with nanoparticles reduced water pressure drop by 29 percent compared to the non-coated surface. The coated rice leaf came in second, with 26 percent, and the butterfly wing came in third with around 15 percent.

Then they dusted the textures with silicon carbide powder – a common industrial powder that resembles natural dirt – and tested how easy the surfaces were to clean. They held the samples at a 45-degree angle and dripped water over them from a syringe for two minutes, so that about two tablespoons of water washed over them in total. Using software, they counted the number of silicon carbide particles on each texture before and after washing.

The shark skin came out the cleanest, with 98 percent of the particles washing off during the test. Next came the rice leaf, with 95 percent, and the butterfly wing with about 85 percent washing off. Til sammenligning, only 70 percent washed off of the flat surface.

Bushan thinks that the rice leaf texture might be especially suited to helping fluid move more efficiently through pipes, such as channels in micro-devices or oil pipelines.

As to the Blue Morpho's beautiful wings, their ability to keep the butterfly clean and dry suggests to him that the clapboard roof texture might suit medical equipment, where it could prevent the growth of bacteria.