Cicada-inspirerede vandtætte overflader tættere på virkeligheden, rapporterer forskere

En tværfaglig gruppe, der studerer insektvingers fysiske og kemiske egenskaber, har demonstreret evnen til at reproducere de nanostrukturer, der hjælper cikadevinger med at afvise vand og forhindre bakterier i at etablere sig på overfladen. Den nye teknik - som bruger kommerciel neglelak - er økonomisk og ligetil, og forskerne sagde, at det vil hjælpe med at fremstille fremtidige højteknologiske vandtætte materialer.

Holdet brugte en forenklet version af en fremstillingsproces - kaldet nanoimprinting lithography - til at lave en skabelon af de komplekse søjleformede nanostrukturer på vingerne af Neotibicen pruinosus, en årlig cikade fundet i den centrale region af USA. Skabelonerne er fuldt opløselige og producerer replikaer, der i gennemsnit er 94,4% af søjlehøjden og 106% af den originale vinge, eller masterstrukturens søjlediameter, sagde forskerne.

Resultaterne af undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

"Vi valgte at arbejde med vinger af denne art af cikader, fordi vores tidligere arbejde demonstrerer, hvordan de komplekse nanostrukturer på deres vinger giver en enestående evne til at afvise vand. Det er en yderst ønskværdig egenskab, som vil være nyttig i mange materialetekniske applikationer, fra flyvinger til medicinsk udstyr, sagde Marianne Alleyne, en entomologi professor ved University of Illinois i Urbana-Champaign, som ledte undersøgelsen sammen med Donald Cropek, fra U.S. Army Corps of Engineers' Construction Engineering Research Laboratory, og Nenad Miljkovic, en professor i mekanisk videnskab og teknik ved Illinois.

Nanoimprinting litografi er ikke ny, men kan være arbejdskrævende og dyr, sagde forskerne. Nogle tilgange bruger giftige materialer, der kan beskadige det originale kopierede objekt, som en sart cikadevinge. Andre kræver høje temperaturer, der ikke er kompatible med biologiske prøver såsom planter eller insekter.

"Vores proces giver os mulighed for at gøre dette i et åbent laboratorium ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk, " sagde Cropek. "Vi bruger neglelak og sprit, som ikke påfører nogen skade på de sarte vinge nanostrukturer."

I laboratoriet, holdet påfører en hurtigttørrende neglelak direkte på en cikadevinge, som derefter lader hærde ved stuetemperatur.

"Det var ikke let at finde den rigtige neglelakformel, fordi vi vil undgå en, der vil vride eller strække skabelonen under fjernelse, " sagde Alleyne. Når det er færdigt, skabelonen kan belægges med en polymer eller metal og derefter opløses væk, efterlader kun replikametallet eller polymeren.

For at vise den nye metodes alsidighed, holdet eksperimenterede med to meget forskellige replikamaterialer:kobbermetal og en fleksibel siliciumbaseret organisk polymer kaldet PDMS.

"Vi viste, at teknikken er kompatibel med fysisk dampaflejring og elektrokemisk aflejring af metaller, oxider eller keramik, samt kemisk dampaflejring og spincoating af blødere materialer som polymerer, " sagde Miljkovic.

"Kobber er særligt interessant for os på grund af dets iboende antimikrobielle egenskaber, and our past work indicates that some cicada species display antimicrobial properties on their wings, " Alleyne said. "We don't know if it is the chemicals on the wing's surface or the physical nanostructures, or a combination of both chemistry and topography, that produce the bactericidal activity, but being able to produce materials with different chemistries and structures will help us answer that fundamental question. This new, relatively simple fabrication method will ultimately help us design multifunctional engineered materials."