Genom undersökning av insektsytor, Penn State -forskare har detaljerat en tidigare oidentifierad nanostruktur som kan användas för att konstruera starkare, mer fjädrande vattenavvisande beläggningar.

Resultaten av denna forskning publicerades idag (17 juli) i Vetenskapliga framsteg.

Med en förbättrad förmåga att avvisa droppar, denna design kan appliceras på personlig skyddsutrustning (PPE) för att bättre motstå virusbelastade partiklar, som COVID-19, bland andra applikationer.

"Under de senaste decennierna har konventionellt utformade vattenavvisande ytor har vanligtvis baserats på växter, som lotusblad, "sade Lin Wang, en doktorand vid Institutionen för materialvetenskap och teknik i Penn State och huvudförfattare till uppsatsen.

Klassiska tekniska teorier har använt detta tillvägagångssätt för att skapa superhydrofoba, eller vattenavvisande, ytor. Traditionellt, de är tillverkade med texturer med låg solid fraktion, som håller ett extremt tunt luftskikt över en låg mikroskopisk densitet, hårliknande nanostrukturer, som forskarna liknar ett airhockeybord.

"Resonemanget är om droppen eller föremålet flyter ovanpå luften, det kommer inte att fastna på ytan, "sa Tak-Sing Wong, Wormleys tidiga karriärprofessor i teknik, docent i mekanisk och biomedicinsk teknik och Wangs rådgivare.

Eftersom det fungerar effektivt, konstgjorda beläggningar tenderar att efterlikna den låga densiteten hos dessa nanostrukturer.

Dock, detta dokument beskriver en helt annan metod. När man undersöker ytor som myggans öga, en fjädersvans kropp eller vingen av en cikad under elektronmikroskop med hög upplösning, Wang fann att de nanoskopiska hårstråna på dessa ytor är tätare packade, kallas inom konstruktionen som strukturer med hög solid fraktion. Vid vidare undersökning, denna betydande avvikelse från växternas struktur kan ge ytterligare vattenavvisande fördelar.

"Tänk om du hade en hög densitet av dessa nanostrukturer på en yta, "Wang sa." Det kan vara möjligt att bibehålla stabiliteten i luftlagret från högre slagkrafter. "

Detta kan också innebära att de mer tätt packade strukturerna kan avstå från vätska som rör sig med en högre hastighet, som regndroppar.

Medan designkonceptet är nytt för människor, forskarna teoretiserar denna nanostruktur ökar insektens motståndskraft i sin naturliga miljö.

"För dessa insektsytor, Att stöta bort vattendroppar är en fråga om liv och död. Slagkraften hos regndroppar är tillräckligt för att bära dem till marken och döda dem, "Sa Wang." Så, det är verkligen viktigt för dem att hålla sig torra, och vi kom på hur. "

Med denna kunskap hämtad från naturen, forskarna hoppas kunna tillämpa denna designprincip för att skapa nästa generations beläggningar. Genom att utveckla en vattenavvisande yta som tål snabbare rörelse och högre slagdroppar, applikationerna är många.

Från små, flygande robotfordon, som de drönare som Amazon hoppas kunna leverera paket med, till kommersiella flygplan, en beläggning som kan emulera dessa insektsytor kan ge ökad effektivitet och säkerhet.

Dock, mot bakgrund av COVID-19-pandemin, forskare har sedan dess insett att denna kunskap kan ha en ytterligare inverkan på människors hälsa.

"Vi hoppas, när den utvecklas, denna beläggning kan användas för personlig skyddsutrustning. Till exempel, om någon nyser runt en ansiktsskydd, det är droppar med hög hastighet. Med en traditionell beläggning, dessa partiklar kan fastna på ytan av PPE, "Sa Wong." Men om designprinciperna som beskrivs i detta dokument antogs framgångsrikt, det skulle ha förmågan att avvisa dessa droppar mycket bättre och eventuellt hålla ytan bakteriefri. "

Som framgår av detta arbete, Wong Laboratory for Nature Inspired Engineering drar insikter från biologiska fenomen för att göra mänsklighetens innovationer bättre och effektivare.

"Även om vi inte föreställde oss den applikationen i början av detta projekt, COVID-19 fick oss att tänka på hur vi kan använda denna designprincip för att gynna fler människor, "Sa Wong." Det är upp till oss som ingenjörer att ta dessa upptäckter och tillämpa dem på ett meningsfullt sätt. "

Nästa steg för detta arbete är att utveckla en stor skala, kostnadseffektiv metod som kan tillverka en beläggning för att efterlikna dessa egenskaper.

"Förr, vi hade inte en effektiv yta som kunde stöta bort höghastighets vattendroppar, ”Sa Wong.” Men insekterna berättade för oss hur. Det finns så många exempel som detta i naturen; vi behöver bara lära oss av dem. "