Vissa insektkroppar har utvecklat förmågan att stöta bort vatten och olja, hålla sig till olika ytor, och eliminera ljusreflektioner. Forskare har studerat de fysiska mekanismerna bakom dessa anmärkningsvärda egenskaper som finns i naturen och efterliknat dem för att designa material för användning i vardagen.

Många år sedan, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory utvecklade en nanoskala yt-textureringsmetod för att ge material fullständig vattenavstötning-en egenskap inspirerad av insekts exoskeleton som har små hårstrån avsedda att avvisa vatten genom att fånga luft. Deras metod utnyttjar förmågan hos material som kallas blocksampolymerer (kedjor av två distinkta molekyler kopplade ihop) att självmontera till ordnade mönster med dimensioner som mäter endast tiotals nanometer i storlek. Forskarna använde dessa självmonterade mönster för att skapa texturer i nanoskala i olika oorganiska material, inklusive kisel, glas, och lite plast. Initialt, de studerade hur förändring av formen på texturerna från cylindriska till koniska påverkade materialens förmåga att stöta bort vatten. Konformade nanokomponenter visade sig mycket bättre på att tvinga vattendroppar att rulla av, bär bort smutspartiklar och lämnar ytorna helt torra.

Nu, arbeta med kollegor i Frankrike - från ESPCI Paris Tech, École Polytechnique, och Thales-gruppen-de har vidare visat att de optimerade nanokomponenterna har utmärkta antidimningsförmågor, som beskrivs i en artikel publicerad online i 27 februari -numret av Naturmaterial . Under ledning av David Quéré från ESPCI och École Polytechnique, forskningen ger en grundläggande förståelse som kan informera om nya konstruktioner för kondensering av spolar av ångturbinkraftgeneratorer, vindrutor för bilar och flygplan, och andra material som är benägna att dimma.

"Många texturerade material kan avvisa vatten, med millimeterstora vattendroppar som studsar från sina ytor, men många av dessa ytor misslyckas när de utsätts för dimmiga eller fuktiga förhållanden, "sa Charles Black, chef för Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), DOE Office of Science User Facility där Black och före detta fysikern Antonio Checco från Brookhavens fysiska och materialvetenskapliga avdelning för kondenserade ämnen och tidigare CFN -postdoktor Atikur Rahman tillverkade nanokomponenterna.

Dimma bildas när det är varmt, fuktig luft träffar en svalare yta (t.ex. ett fönster eller vindruta) och bildar vattendroppar - en process som kallas kondens. När vattendroppar är lika stora som de strukturella egenskaperna hos en strukturerad hydrofob ("vattenhatande") yta, de kan komma in och växa inom texturen, istället för att ligga kvar på toppen. När strukturen fylls, vatten som landar på materialet fastnar, vilket resulterar i dimma.

Forskare har tidigare observerat att cikadornas vingar, som täcks av nanosiserade konformade texturer, har förmågan att avvisa dimma genom att få vattendroppar att spontant hoppa av deras yta - ett fenomen som orsakas av en effektiv omvandling av ytenergi till rörelseenergi när två droppar kombineras. Motiverad av detta exempel från naturen, teamet undersökte hur minskning av texturstorlek och förändrad texturform påverkar en modellytas dimningsförmåga.

För att simulera dimningsförhållanden, forskarna värmde upp vatten och mätte vidhäftningskraften när droppar av varmt vatten svalnade när de kom i kontakt med de nanotexturerade ytorna. Dessa mätningar avslöjade att droppadhesion påverkades avsevärt av typen av ytnanotekstur, med varma droppar som starkt fastnar på dem med stora texturer och som knappast fastnar alls på ytor med de minsta.

"Texturer med de minsta funktionsstorlekarna och lämplig form - i det här fallet, konisk - motstå dimma eftersom kondensvattendroppar är för stora för att tränga in i texturen. Dropparna ligger kvar ovanpå, i huvudsak flyter på dynan av luft som fångas under, "sa Black.

Forskarna använde sedan ett optiskt mikroskop anslutet till en högupplöst videokamera för att se droppkondens på olika texturer under daggbildning, när luftfuktigheten kondenserar snabbare än den avdunstar. Medan alla texturer initialt täcks av ett stort antal mikrodroppar, med tiden blir texturer med en cylindrisk form täckta av vatten, medan de med en konisk form spontant torkar sig. Konformade strukturer motstår daggbildning eftersom vattendropparna fäster så lätt vid ytan att när två droppar går ihop, de får tillräckligt med energi för att spontant hoppa av ytan, liknande den mekanism som observerats i cikadavingar.

"Detta arbete representerar det utmärkta, multiplikativ kraft hos DOE -användarfaciliteter. I detta fall, CFN:s första samarbete med en användare från en av Brookhavens avdelningar ledde till en ny internationell anslutning med olika användare, som genomförde studier av hydrofoba ytor i nya riktningar, "sa Black.