I åratal, forskare har inspirerats av naturen att förnya lösningar på knepiga problem, även oljeutsläpp - katastrofer som orsakas av människor med förödande miljömässiga och ekonomiska konsekvenser. En ny USC -studie tar en ledtråd från bladstruktur för att tillverka material som kan separera olja och vatten, vilket kan leda till säkrare och effektivare metoder för rensning av oljeutsläpp.

Dessutom, materialet kan "manipulera mikrodroppar, "eller överföring av miniatyrvolymer vätska. Droppbaserade mikrofluidik är ett verktyg som används i olika applikationer som cellkulturer, kemisk syntes och DNA -sekvensering.

Med 3D-utskrift, Docent Yong Chen och hans forskargrupp vid Daniel J. Epstein School of Industrial and Systems Engineering vid USC Viterbi School of Engineering har framgångsrikt efterliknat ett biologiskt fenomen i växtblad som kallas "Salvinia -effekt". Deras studie fokuserar på en flytande ormbunke som är infödd i Sydamerika, kallad Salvinia molesta. De unika bladen är superhydrofoba, vilket betyder "vattenskräckande" och behålla en omgivande luftficka när den är nedsänkt i vatten på grund av förekomsten av vattentäta hårstrån.

"Jag tror att anläggningens yta är superhydrofob är att den lever på vattnet och kräver luft för att överleva, "Yang Yang, en postdoktor i Chens team, sa. "Om det inte vore för den långsiktiga utvecklingen av denna växt, växten kunde sänkas ner i vatten och skulle dö. "

Vattenavvisande struktur

På en mikroskopisk nivå, bladhåren riktas in i en struktur som liknar ett äggslagare, eller matlagningsvisp. Chen förklarar att Salvinias lövyta består av denna så kallade "äggslagar" -struktur som är superhydrofob.

Med hjälp av en metod som kallas nedsänkt yta ackumulering 3D-utskrift (ISA-3D-utskrift), forskargruppen skapade framgångsrikt äggvisp-mikrostrukturen i prover av plast- och kolnanorör. Chen förklarar att metoden gjorde det möjligt för laget att demonstrera tillverkning av ett material med både superhydrofoba och olephila (oljeabsorberande) egenskaper som, när de kombineras, generera kapillärkrafter som kan göra olje- och vattenseparation mycket effektiv.

"Vi försökte skapa en funktionell ytstruktur som skulle kunna separera olja från vatten, "Sa Chen." I grunden vi modifierade ytan på materialen genom att använda en 3D-utskriftsmetod som hjälpte oss att uppnå några intressanta ytegenskaper. "

Teamet har 3D-skrivit ut en prototyp, med hänvisning till en växande efterfrågan på material som effektivt kan separera olja och vattenblandningar i stora vattendrag. Så småningom, de hoppas att tekniken kan tillämpas för att tillverka material i stor skala för att rymma massiva oljeutsläpp i havet. Nuvarande metoder kräver enorm energi i form av ett elektriskt fält eller mekaniskt applicerat tryck.

Mikrofluidikapplikation

"Salvinia-effekt" har också potential för vätskehanteringsteknik som utför "mikrodroppmanipulation"-ett genombrott där vidhäftning av vätska till en robotarm kan justeras i enlighet därmed och resultera i icke-förlustöverföring för mycket små mängder vätska. Tekniken kan tillämpas på otaliga sätt, varav några inkluderar droppbaserade mikroreaktorer (enheter som används vid kemisk syntes), nanopartikelsyntes, vävnadsteknik, övervakning av läkemedel och övervakning av läkemedel.

Xiangjia Li, en doktorand i Chens team och medförfattare till studien, säger ett exempel på högpresterande mikrodroppmanipulation kan leda till effektivare blodanalyser för patienter. En robotgripare kan flytta till olika stationer och avge mikrodroppar av blod som sedan blandas jämnt med olika kemikalier för olika tester. Dessutom, testerna kan utformas för att kontrollera förhållandet mellan kemikalie och droppe och resultera i betydande bevarande av källmaterial och kemiska reagenser.

"Du kan ha en robotarm med en gripare gjord för att efterlikna" Salvinia -effekt, '"Sa Li." Oavsett vilket sätt du rör armen, gripkraften är så stor att en droppe kommer att förbli fäst. "

Leds av Chen, forskargruppen inkluderade också Yang, Li, Professor Qifa Zhou vid Institutionen för biomedicinsk teknik, och doktorander Xuan Zheng och Zeyu Chen. Deras studie med titeln "3D-Printed Biomimetic Super-Hydrophobic Structure for Microdroplet Manipulation and Oil/Water Separation" har publicerats i Vol. 30, Mars 2018 nummer av Avancerade material .