Detta är en illustration som visar en schematisk bild av hal yta och dess egenskaper för att avvisa många vätskor som finns på jorden (symboliserat av jorden som reflekteras på vätskedroppen). Upphovsrätt:med tillstånd av James C. Weaver och Peter Allen.
Efter ett regn, det koppade bladet på en krukväxt blir en praktiskt taget friktionsfri yta. Ljuvligt och elegant, köttätaren lockar myror, spindlar, och till och med små grodor. En och en, de glider till sin undergång.
Anta anläggningens smarta strategi, en grupp tillämpade forskare vid Harvard har skapat ett material som avvisar nästan vilken typ av vätska som helst, inklusive blod och olja, och gör det även under hårda förhållanden som högt tryck och minusgrader.
Den bioinspirerade tekniken för flytande avstängning, beskrivs i 22 september -numret av Natur , bör hitta applikationer inom biomedicinsk vätskehantering, bränsletransport, och anti-fouling och anti-icing-teknik. Det kan till och med leda till självrengörande fönster och förbättrade optiska enheter.
"Inspirerad av kannan, vi utvecklade en ny beläggning som överträffar dess naturliga och syntetiska motsvarigheter och ger en enkel och mångsidig lösning för flytande och fast avstötning, "säger huvudförfattaren Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Direktör för Kavli Institute for Bionano Science and Technology vid Harvard, och en Core Faculty -medlem vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard.
Däremot, nuvarande state-of-the-art vätskeavvisande ytor har tagit ledtrådar från en annan medlem av växtvärlden. Lotusbladen motstår vatten på grund av de små mikrotexturerna på ytan; droppar balanserar på luftdynan på spetsarna av ytan och pärla upp.
Den så kallade lotuseffekten, dock, fungerar inte bra för organiska eller komplexa vätskor. Dessutom, om ytan är skadad (t.ex. repad) eller utsatt för extrema förhållanden, flytande droppar tenderar att fastna eller sjunka in i texturerna snarare än att rulla iväg. Till sist, det har visat sig vara kostsamt och svårt att tillverka ytor baserat på lotusstrategin.
Krukanläggningen har ett helt annat tillvägagångssätt. Istället för att använda burr-liknande, luftfyllda nanostrukturer för att stöta bort vatten, växten låser sig i ett vattenlager, skapa en slät beläggning på toppen. Kortfattat, själva vätskan blir den avvisande ytan.
"Effekten liknar när en bil vattenplanar, däcken glider bokstavligen på vattnet snarare än vägen, "säger huvudförfattaren Tak-Sing Wong, en postdoktor i Aizenberg -labbet. "När det gäller de olyckliga myrorna, oljan på botten av fötterna kommer inte att hålla fast vid den hala beläggningen på växten. Det är som olja som flyter på ytan av en damm. "
Detta är en schematisk bild av tillverkningen av Slippery Liquid-Infused Porous Surface (SLIPS). Upphovsrätt:Courtesy of Peter Allen and James C. Weaver.
Inspirerad av krukväxtens eleganta lösning, forskarna utformade en strategi för att skapa hala ytor genom att införa ett nano/mikrostrukturerat poröst material med en smörjvätska. De kallar de resulterande bioinspirerade ytorna "SLIPS" (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces).
"Som kannan, SLIPS är hala för insekter, men de är nu utformade för att göra mycket mer:de stöter bort en mängd olika vätskor och fasta ämnen, "säger Aizenberg. SLIPS visar praktiskt taget ingen kvarhållning, eftersom mycket liten lutning behövs för att locka vätskan eller fastämnet till att glida ner och av ytan.
"Den avvisande vätskeytan erbjuder ytterligare fördelar, eftersom den i sig är mjuk och fri från defekter, "säger Wong." Även efter att vi skadat ett prov genom att skrapa det med en kniv eller blad, ytan reparerar sig nästan omedelbart och de avstötande egenskaperna kvarstår, gör SLIPS självläkande. "Till skillnad från lotus, SLIPS kan göras optiskt transparent, och därför perfekt för optiska applikationer och självrengöring, klara ytor.
Dessutom, den nästan friktionsfria effekten kvarstår under extrema förhållanden:högt tryck (så mycket som 675 atmosfärer, motsvarande sju kilometer under havet) och luftfuktighet, och i kallare temperaturer. Teamet genomförde studier utanför efter en snöstorm; SLIPS klarade frysningstemperaturerna och till och med avvisade is.
"Inte bara kan vår bioinspirerade yta fungera under olika förhållanden, men det är också enkelt och billigt att tillverka, "säger medförfattaren Sung Hoon Kang, en doktorsexamen kandidat i Aizenberg -labbet. "Det är lätt skalbart eftersom du kan välja nästan vilket poröst material som helst och en mängd olika vätskor."
För att se om ytan verkligen uppfyller naturens höga krav, de gjorde till och med några experiment med myror. I tester, insekterna gled av den konstgjorda ytan eller drog sig tillbaka till säkrare mark efter bara några timorösa steg.
Forskarna räknar med att kannan växtinspirerad teknik, som de söker patent på, kan en dag användas för bränsle- och vattentransportrör, och medicinska slangar (t.ex. katetrar och blodtransfusionssystem), som är känsliga för drag och tryck och äventyras av oönskade vätske-ytinteraktioner. Andra möjliga tillämpningar inkluderar självrengörande fönster och ytor som motstår bakterier och andra typer av föroreningar (t.ex. uppbyggnad som bildas på fartygsskrov). Framsteget kan också hitta applikationer i isbeständiga material och kan leda till klibbfria ytor som avvisar fingeravtryck eller klotter.
"Mångsidigheten hos SLIPS, deras robusthet och unika förmåga att självläka gör det möjligt att designa dessa ytor för användning nästan var som helst, även under extrema temperatur- och tryckförhållanden, "säger Aizenberg." Det öppnar eventuellt upp applikationer i tuffa miljöer, such as polar or deep sea exploration, where no satisfactory solutions exist at present. Everything SLIPS!"
