En ny mikrofabrikationsstrategi for multifunktionelt 3D kunstigt hajskind
Hajer i naturen svømmer ved høje hastigheder i et dybt hav på grund af deres høje modstandsreduktionsevne. Vandstrømme omkring hajskindet bliver forstyrret af forskudte og overlappende mikroskalastrukturer kaldet denticles. Ud over denne overfladeruhed glider vand ved en væske-fast grænseflade med flere rille-lignende mikroribletter på individuelle mikrodentikler.
Ydermere udviser hajskindet høj gennemtrængningsmodstand på grund af dets firelagsstruktur fra emalje til dermis. Der er hårdt-mod-bløde lagdelte mekaniske gradienter fra ydersiden til indersiden af hajskindet.
Dette unikke og funktionelle hajskind, der findes i naturen, motiverer denne undersøgelse, offentliggjort i Advanced Materials , den første til at mikrofremstille tredimensionelle (3D) overlappede mikrodentikler med skarpe mikroribletter. Det kunstige 3D-hajskind var i stand til at opnå flere funktionaliteter ved at efterligne morfologiske og materielle egenskaber ved det naturlige hajskind.
Mange tidligere undersøgelser er blevet udført for at udvikle kunstigt hajskind, der efterligner naturligt hajskind med funktionelle fordele. Det har imidlertid været vanskeligt at danne 3D-overlappende morfologi, samtidig med at formen af mikroribletter på mikrodentiklerne bevares. Uønsket termisk deformation er fortsat et problem for de polymerbaserede mikrodentikler, der periodisk er arrangeret med snævre mellemrum.
For at løse dette problem fremstillede Wie og hans kolleger riblet-teksturerede mikrodentikler ved hjælp af en komposit af magnetiske partikler og elastomere polymerer. Dernæst blev 3D mikrodentikler induceret til at bøje, indtil de overlappede hinanden under et eksternt magnetfelt.
Selvom det er et interessant koncept, er der behov for at formfikse denne magnetiske overlapning for at funktionalisere hajskind under fjernelse af magnetfeltet. "Vi har for nylig udviklet en kemisk formfikseringsstrategi til at fremstille 3D forskudt-overlappende hajskind," sagde Jeong Jae Wie, professor ved Institut for Organisk og Nanoteknik ved Hanyang University.
"Mikrodentiklerne skal aktiveres i modsat retning for at belægge et tyndt lag af en flydende harpiks af polymer på hajskindet. Efter ændring af aktivering i en fremadgående retning hærdes et tyndt polymerlag, hvilket fuldender mikrofremstilling af 3D kunstigt hajskind med immobiliseret magnetisk overlapning ," sagde Jeong Eun Park, en første forfatter i den offentliggjorte undersøgelse.
"En unik pointe ved dette arbejde er deres 3D kunstige hajskinds evne til at demonstrere flere funktioner, mens andre undersøgelser kun har været i stand til at dokumentere en eller to funktioner," sagde Wies samarbejdspartner, Seung Goo Lee fra University of Ulsan.
Forskerholdet viste først modstandsreduktion, en repræsentativ funktionalitet af naturligt hajskind. 3D kunstigt hajskind med hydrofobicitet reducerer modstand, når vandet strømmer i frontalretningen af mikroribletterne.
"I vores hydrofobe hajskind er luftbobler i mikrostørrelse fanget mellem overlappede mikrodentikler, hvilket forårsager glidning af vandlag på luftboblerne," tilføjede Wies samarbejdspartner, Rhokyun Kwak fra Hanyang University.
Ud over denne modstandsreducerende funktionalitet udviser deres 3D kunstige hajskind lav friktion, når de ridser prøve i frontal retning og høj mekanisk robusthed med strukturel genopretning, på grund af arkitekturen af forskudte-overlappende mikrodentikler.
"Interessant nok kunne disse funktionaliteter forbedres ved at belægge det mekanisk bløde polymerbaserede hajskind med et tyndt lag i nanoskala af mekanisk skørt materiale. Dette koncept er motiveret af den hårde-mod-bløde lagdelte struktur af det naturlige hajskind," tilføjede Wie.
"Typisk har mekanisk blød film høj overfladefriktion mod kontakt med omgivende forhindringer. Men i dette arbejde falder friktionskoefficienten, når man belægger hajskind med en tynd keramik, fordi hårde og fleksible egenskaber sameksisterer på dette trelags hajskind," forklarede Wie's. samarbejdspartner, Sanha Kim fra Korea Advanced Institute of Science and Technology.
Efterfølgende coated Wies team det trelagede hajskind med et tyndt metal. I en test af fordybning udviste 4-lags hajskind forbedret hårdhed og genvindeligt arbejde sammenlignet med det ikke-coatede polymere hajskind. Især med hensyn til strukturel genopretning, "Genvindeligt arbejde kan opbevares i de bøjede mikrotænder, mens de tynde lag af mekanisk sprøde materialer kan forbedre den elastiske belastningsenergi i 3D kunstigt hajskind," tilføjede Kim.
For mikroteksturerede elektroniske applikationer, når det polymerbaserede hajskind er belagt med et elektrisk ledende MXene-materiale, har det desuden en lav elektrisk modstand på 5,3 Ω.
"MXene-belagt hajskind muliggør joule-opvarmning med høj temperatur, selv når der påføres en lav spænding (f.eks. 230°C ved 2,75 V). På grund af MXene-materialets hydrofilicitet ændres desuden hajskindets befugtningsegenskaber fra hydrofob til hydrofil ," sagde Wies samarbejdspartner, Tae Hee Han fra Hanyang University.
"Denne forskning er den første til at rapportere om flere funktionaliteter, der kan påvises af 3D kunstigt hajskind, med mange potentielle anvendelser inden for en række forskellige områder," sagde Lee. For eksempel, hvis teknologien i dette multifunktionelle kunstige hajskind skulle bruges i skibsfartsindustrien, kunne der skabes økonomisk effektivitet ved at reducere brændstofforbruget og øge skibets levetid.
"Med hensyn til fremtidige applikationer, kan skibe med vores 3D kunstige hajskind forventes at navigere hurtigt med reduceret modstand, mindre friktion i kontakt med omgivende forhindringer og mindre skade fra eksterne påvirkninger i havet," tilføjede Wie.
Flere oplysninger: Jeong Eun Park et al., Programmering af anisotropisk funktionalitet af 3D-mikrodentikler ved forskudte-overlappede og flerlagede mikroarkitekturer, Avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202309518
Journaloplysninger: Avanceret materiale
Leveret af Hanyang University
Varme artikler
-
Rengøring øger solcelleeffektivitetenEt nanotrådsarray i solcellen. Kredit:Eindhoven University of Technology Energitab i nanotrådsolcelle kan reduceres markant ved at rense overfladen af cellerne med en speciel ætsemetode. Det har -
Forståelse af origami i 2-D materialerKredit:CC0 Public Domain En ud af fem mobiltelefonbrugere i Storbritannien har revnet deres skærm ved at tabe telefonen i en periode på tre år, ifølge en YouGov -meningsmåling. Mobilskærmene går l -
Platinnanopartikler til selektiv behandling af leverkræftcellerIkke-oxiderede platin-nanopartikler har praktisk talt ingen toksisk virkning på normale celler (nederst til venstre). En gang inde i leverkræftceller (øverst til højre), platinen oxideres, frigiver si -
Som submikroskopiske rumfartøjer:Grafenflager til at kontrollere neuronaktivitetSelektiv, sikre og med en reversibel effekt:de er nanomaterialerne, hovedpersoner i en ny undersøgelse fra SISSA, som har kastet lys over deres evne til at nå bestemte steder og påvirke virkningen af