Craig Zuhlke (vänster), en forskarassistent, och Aaron Ediger, en forskarassistent, titta på när en laser modifierar ett litet prov av metall. Forskningen, ledd av Nebraskas Dennis Alexander, modifierar metallytor för att efterlikna biologiska egenskaper, inklusive hajskinn. Forskningen används främst för försvars- och industriändamål. Kredit:Troy Fedderson | Universitetskommunikation
Finslipad av 450 miljoner år av evolution, Hajskinn erbjuder en nästan perfekt design för att glida enkelt genom vatten.
En forskargrupp från University of Nebraska–Lincoln under ledning av Dennis Alexander arbetar med att översätta den evolutionära fördelen – och andra som skapats av Moder Natur – till metallytor. I sista hand, arbetet kommer att ge metall samma unika egenskaper, så att den kan användas för försvars- och industriändamål.
"Våra strukturer är mycket viktiga för militären, Boeing och NASA, sa Alexander, Kingery professor i elektro- och datateknik. "Vi betonar att dessa strukturer använder dessa ytor i tuffa miljöer, men det finns ingen metallyta som vi inte kan funktionalisera."
Hans team använder extremt korta laserpulser - dessa varaktiga små bråkdelar av en sekund - för att bara ändra ytterkanten av en metallyta. Att ändra laservinkeln och andra parametrar skapar ytor som efterliknar naturen.
Genom att kopiera den mikroskopiska strukturen av hajskinn på metall, forskargruppen skapar en superhydrofil, eller vattenavvisande, material. Den här egenskapen minskar luftmotståndet och kan användas för att skapa nedsänkbara farkoster som färdas längre under vattnet med mindre kraft.
Ett metallprov modifierat för att efterlikna hajskinn stöter bort vatten när det placeras i en bägare. Den modifierade metallen kan en dag användas för att skapa undervattensvatten som kan färdas mer effektivt genom vatten. Kredit:Troy Fedderson | Universitetskommunikation
Nebraskas laserskapade ytor förbättrar också värmeöverföringen, en viktig egenskap i många militära och kommersiella system.
Andra naturliga ytor som studerats av Alexanders team inkluderar rosenblad, skalbaggar och malögon.
Rosenblad är superhydrofoba, får regnvatten att glida av i pärlor. Liksom deras superhydrofila motsvarigheter, superhydrofoba ytor minskar motståndet. Tillämpningar inkluderar medicinska förnödenheter som stöter bort vätskor och som inte kan kontamineras av blod eller andra vätskor, antibakteriella metaller för ledbyte, minska isbildning på trafikljus och kraftledningar, och förbättra kondensatorvärmeväxlare, inklusive de som används för att återvinna vatten i rymden.
Suddiga vattendroppar rullar av en sektion av tråd som används för att överföra elektricitet. Dennis Alexanders labb driver ett projekt som ska modifiera kraftledningar så att de stöter bort nederbörd. Arbetet visar lovande för att minska isbildningen på kraftledningar. Kredit:University of Nebraska-Lincoln
Alexanders team arbetar med NASA för att förbättra värmeväxlarna. Arbetet har potential att föra fram planer för djupa rymdresor, inklusive uppdrag till Mars.
Exoskelett av skalbaggar som lever i ökenområden har ytor som - som hajhud - är superhydrofila. När metallytor som efterliknar skalbaggarna placeras nära varandra, de genererar en pumplös sugverkan som kan dra vätska uppåt (se den animerade gif-filen nedan).
"Konceptet skulle kunna användas i (utvecklings)länder för att pumpa vatten till ytan utan el, " sa Alexander. "I grund och botten, det är på samma sätt som Moder Natur gör det i träd och växter."
Designad för att flyga runt på natten och undvika upptäckt av rovdjur, nattfjärilsögon absorberar ett brett spektrum av ljus. Genom att översätta dessa ytegenskaper till metall, teamet skapar en antireflekterande metall som förbättrar solpanelens effektivitet och gör smygflygplan svårare att spåra.
