En sydamerikansk fjäril slog med vingarna, och orsakade en uppsjö av nanoteknologisk forskning i Ohio. Forskare här har tagit en ny titt på fjärilsvingar och risblad, och lärde sig saker om deras mikroskopiska struktur som kan förbättra en mängd olika produkter.

Till exempel, forskarna kunde rensa upp till 85 procent av damm från en belagd plastyta som efterliknade strukturen hos en fjärilsvinge, jämfört med endast 70 procent av en plan yta.

I ett färskt nummer av tidskriften Mjuk materia , Ohio State Universitys ingenjörer rapporterar att texturerna förbättrar vätskeflödet och förhindrar att ytor blir smutsiga – egenskaper som skulle kunna efterliknas i högteknologiska ytor för flygplan och vattenfarkoster, rörledningar, och medicinsk utrustning.

"Naturen har utvecklat många ytor som är självrengörande eller minskar motståndet, sa Bharat Bhushan, Ohio Eminent Scholar och Howard D. Winbigler Professor i maskinteknik vid Ohio State. "Minskat luftmotstånd är önskvärt för industrin, oavsett om du försöker flytta några droppar blod genom en nanokanal eller miljontals liter råolja genom en pipeline. Och självrengörande ytor skulle vara användbara för medicinsk utrustning – katetrar, eller något som kan hysa bakterier."

Bhushan och doktoranden Gregory Bixler använde ett elektronmikroskop och en optisk profilerare för att studera vingar på jätteblå Morpho-fjärilen (Morpho didius) och blad från risväxten Oriza sativa. De gjuter plastrepliker av både mikroskopiska texturer, och jämförde deras förmåga att stöta bort smuts och vatten med repliker av fiskfjäll, haj skinn, och enkla plana ytor.

Gemensamt för Central- och Sydamerika, Blue Morpho är en ikonisk fjäril, uppskattad för sin lysande blå färg och iris. Utöver dess skönhet, den har förmågan att kasta bort smuts och vatten med ett vingslag.

För en fjäril ute i naturen, att hålla sig ren är en kritisk fråga, Bhushan förklarade.

"Deras vingar är så ömtåliga att det blir svårt att flyga att få smuts eller fukt på dem. " sa han. "Pluss hanar och honor känner igen varandra genom färgen och mönstren på vingarna, och varje art är unik. Så de måste hålla sina vingar ljusa och synliga för att kunna fortplanta sig."

Elektronmikroskopet avslöjade att Blue Morphos vingar inte är så släta som de ser ut med blotta ögat. Istället, Ytstrukturen liknar ett tak med överlappande bältros som strålar ut från fjärilens kropp, föreslår att vatten och smuts rullar av vingarna "som vatten från ett tak, sa Bhushan.

Risbladen gav ett mer surrealistiskt landskap under mikroskopet, med rader av spår i mikrometerstorlek (miljondelar av en meter), var och en täckt med ännu mindre, nanometerstora bulor (miljarddelar av en meter) – alla vinklade för att rikta regndroppar till stammen och ner till basen av växten. Bladet hade också en hal vaxartad beläggning, som håller vattendropparna att rinna med.

Forskarna ville testa hur fjärilsvingar och risblad kan visa några av egenskaperna hos andra ytor som de har studerat, such as shark skin, which is covered with slippery, microscopic grooves that cause water to flow smoothly around the shark. They also tested fish scales, and included non-textured flat surfaces for comparison.

After studying all the textures close up, the researchers made molds of them in silicone and cast plastic replicas. To emulate the waxy coating on the rice leaves and the slippery coating on shark skin (which in nature is actually mucous), they covered all the surfaces with a special coating consisting of nanoparticles.

In one test, they lined plastic pipes with the different coated textures and pushed water through them. The resulting water pressure drop in the pipe was an indication of fluid flow.

For a pipe about the size of a cocktail straw, a thin lining of shark skin texture coated with nanoparticles reduced water pressure drop by 29 percent compared to the non-coated surface. The coated rice leaf came in second, with 26 percent, and the butterfly wing came in third with around 15 percent.

Then they dusted the textures with silicon carbide powder – a common industrial powder that resembles natural dirt – and tested how easy the surfaces were to clean. They held the samples at a 45-degree angle and dripped water over them from a syringe for two minutes, so that about two tablespoons of water washed over them in total. Using software, they counted the number of silicon carbide particles on each texture before and after washing.

The shark skin came out the cleanest, with 98 percent of the particles washing off during the test. Next came the rice leaf, with 95 percent, and the butterfly wing with about 85 percent washing off. Som jämförelse, only 70 percent washed off of the flat surface.

Bushan thinks that the rice leaf texture might be especially suited to helping fluid move more efficiently through pipes, such as channels in micro-devices or oil pipelines.

As to the Blue Morpho's beautiful wings, their ability to keep the butterfly clean and dry suggests to him that the clapboard roof texture might suit medical equipment, where it could prevent the growth of bacteria.