Risblade og sommerfuglvinger giver indsigt i indsigt i naturens bedste selvrensende overflader

Med 3,5 milliarder års forskning og udvikling under sit bælte, Moder Natur kunne betragtes som verdens mest erfarne biologiske ingeniør. Jo da, hendes metoder kan til tider forekomme tilfældigt, men hendes track record for at udvikle organismer, der er udsøgt tilpasset de opgaver, der kræves af dem, er intet mindre end fantastisk.

En opgave, hun har været særlig dedikeret til, er at finde måder at holde hendes kreationer rene for snavs og forureninger. Det er derfor ikke overraskende, at nutidens ingeniører ser inspiration til naturen, når det kommer til at håndtere "biofouling, "eller uønsket ophobning af biologisk materiale som plager en lang række industrier.

En nylig undersøgelse foretaget af forskere ved Ohio State University har fundet ud af, at risblade og sommerfuglvinger gør brug af nogle unikke overfladeegenskaber, der fremmer selvrensning. Forskerne mener, at inkorporering af nogle af disse funktioner i menneskeskabte produkter kan være nøglen til at tackle problemer forbundet med biofouling.

"Den levende natur er fuld af tekniske vidundere, fra mikro- til makroskalaen, der har inspireret menneskeheden i århundreder, "siger Bharat Bhushan, seniorforfatter af undersøgelsen og direktør for Nanoprobe Laboratory for Bio- og Nanoteknologi og Biomimetik ved Ohio State University.

Overveje, for eksempel, at mens et skib går i klemme af havfugle, når det krydser havet, en haj, der svømmer i det samme hav, forbliver ren som en fløjte. En grund til dette er, at hajskind er sammensat af en særlig type skala, der er dækket af riblets, der reducerer friktion, når hajen bevæger sig gennem vandet. Reduceret friktion betyder, at vand strømmer hurtigere over overfladen, gør det svært for mikroskopiske blaffere at gribe fat. Dette fænomen kaldes haj-hud-effekten. Lotusbladet, på den anden side, bevarer sin hvinende renhed med en voksagtig overfladestruktur, der afviser vand, en egenskab kaldet superhydrofobicitet. Kombineret med lav vedhæftning, dette er kendt som lotuseffekten.

Undersøgelsen fra september 2012, offentliggjort i tidsskriftet Soft Matter af Bhushan og ingeniørstuderende Greg Bixler, viser, at risblade og sommerfuglvinger kombinerer hajskindets lave træk med lotusbladets superhydrofobicitet, sætte disse overflader øverst på listen over naturfremstillede selvrensere.

Ideen om at se på risblade og sommerfuglvinger kom til efterforskerne fra at observere disse strukturer i deres naturlige levesteder.

"Vi lagde mærke til, at vanddråber på risblade og sommerfuglvinger ruller ubesværet af, og at hver især forbliver ren i deres respektive omgivelser, "siger Bhushan.

Denne observation fik efterforskerne til at mistanke om, at som hajskind og lotusblade, risblade og sommerfuglvinger har særlige egenskaber, der gør dem særligt modstandsdygtige over for begroning.

Inden de kunne komme i gang, de måtte tage fat på det faktum, at begge disse strukturer er utroligt sarte, hvilket gør dem svære at arbejde med i eksperimentelle omgivelser. Af denne grund, de begyndte med at skabe kopier af begge overflader. Silikone blev hældt over egentlige blade og vinger, skabte en "negativ" form, som de derefter brugte til at oprette en urethan -kopi, der var bedre egnet til de strenge tests, som efterforskerne havde i tankerne. Nogle kopier modtog også en silica -belægning for at replikere de superhydrofobe egenskaber af de naturlige strukturer.

De udsatte derefter replikaerne for eksperimenter designet til at bestemme, hvor effektivt de bevægede sig gennem luften (træk), hvor godt de slap med forurenende stoffer (selvrensende), hvor tæt forurenende stoffer sidder fast på overfladen (vedhæftning), og hvor godt de tilbageholdt eller frastødte vand (befugtning). Som hajskind, risblade og sommerfuglvinger udviste lavt træk og selvrensende egenskaber. Men begge disse prøver var specielle på en vigtig måde:De udviste lotuslignende egenskaber, herunder superhydrofobicitet og lav vedhæftning. Denne effekt blev forstørret i coatede prøver, som klarede sig bedre end ikke -belagte prøver i hver test.

Bixler tilskriver disse fund den unikke struktur på hver overflade.

"Både risblade og sommerfuglvinger indeholder funktioner i mikro- og nanostørrelse, der afviser og leder vand i en retning, "siger Bixler." Dette opnås med en kombination af riller og buler, der er usynlige for det blotte øje. "

Ved at vise, at risblade og sommerfuglvinger kombinerer antifouling-egenskaber hos nogle af naturens bedste selvrensere, Bhushan og Bixler har identificeret nye overflader, der kan bruges som teknisk inspiration til en lang række industrier, der er ramt af biofouling. Forhindrer opbygning af biologisk materiale på et skibs skrog, for eksempel, kunne øge effektiviteten af ​​skibets bevægelse, i sidste ende fører til mere effektivt brændstofforbrug. Også, reducering af akkumulering af bakterier og andre mikrober i medicinske slanger kan i høj grad reducere patientens risiko for infektion.

"Vi undersøger metoder til at fremstille risblad og sommerfuglvinge-inspirerede film til applikationer, der kræver lavt træk, selvrensende og antifouling, "siger Bhushan. Efterforskerne håber, at brugen af ​​sådanne film i forskellige brancher, herunder sundhedspleje, forsendelse og avanceret fremstilling, vil reducere omkostninger og forbedre kvaliteten.