Fjärilsvingar kännetecknas av singelliknande fjäll (ovan), som hindrar vatten från att samlas, och mikrospår (nedan), som stöter bort vatten och minskar ytvidhäftningen. Dessa funktioner hjälper till att hålla ytan fri från skräp och föroreningar. Kredit:Skannaelektronmikroskopbild (överst) och optisk profilåtergivning (nederst), med tillstånd från Bharat Bhushan och Greg Bixler, Ohio State University
Med 3,5 miljarder år av forskning och utveckling under bältet, Moder Natur kan anses vara världens mest erfarna biologiska ingenjör. Säker, hennes metoder kan ibland verka slumpmässigt, men hennes meritlista av att utveckla organismer som är utsökt anpassade till de uppgifter som krävs av dem är inget annat än fantastiskt.
En uppgift hon har varit särskilt ägnad åt är att hitta sätt att hålla sina skapelser rena från skräp och föroreningar. Det är därför inte förvånande att dagens ingenjörer ser till naturen för att få inspiration när det gäller att hantera "biofouling, " eller oönskad uppbyggnad av biologiskt material, som plågar en lång rad branscher.
En nyligen genomförd studie utförd av forskare vid Ohio State University har funnit att risblad och fjärilsvingar använder sig av några unika ytegenskaper som främjar självrengöring. Forskarna tror att att införliva några av dessa egenskaper i konstgjorda produkter kan vara nyckeln till att ta itu med problem som är förknippade med biofouling.
"Den levande naturen är full av tekniska underverk, från mikroskalan till makroskalan, som har inspirerat mänskligheten i århundraden, " säger Bharat Bhushan, senior författare till studien och chef för Nanoprobe Laboratory for Bio- och Nanotechnology and Biomimetics vid Ohio State University.
Överväga, till exempel, att medan ett fartyg fastnar av havstulpaner när det korsar havet, en haj som simmar i samma hav förblir ren som en visselpipa. En anledning till detta är att hajskinn är sammansatt av en speciell typ av fjäll som täcks av räfflor som minskar friktionen när hajen färdas genom vattnet. Minskad friktion gör att vatten strömmar snabbare över ytan, vilket gör det svårt för mikroskopiska liftare att greppa tag. Detta fenomen kallas haj-skinn-effekten. Lotusbladet, å andra sidan, bibehåller sin pipiga renhet med en vaxartad ytstruktur som stöter bort vatten, en egenskap som kallas superhydrofobicitet. I kombination med låg vidhäftning, detta är känt som lotuseffekten.
Studien från september 2012, publiceras i tidskriften Mjuk materia av Bhushan och ingenjörsstudenten Greg Bixler, visar att risblad och fjärilsvingar kombinerar hajskinnets låga motstånd med lotusbladets superhydrofobicitet, sätta dessa ytor högst upp på listan över naturtillverkade självrengörare.
Risblad kännetecknas av vaxartade knölar (ovan), som stöter bort vatten och förhindrar att föroreningar fastnar på ytan, samt spår (nedan) som hindrar vatten från att samlas på ytan. Att införliva dessa egenskaper i konstgjorda produkter kan hjälpa ingenjörer att hantera oönskad biologisk uppbyggnad i en mängd olika industrier. Kredit:Skannade elektronmikroskopbild (överst) och optisk profilåtergivning (nederst) med tillstånd av Bharat Bhushan och Greg Bixler, Ohio State University
Idén att titta på risblad och fjärilsvingar kom till utredarna från att observera dessa strukturer i deras naturliga livsmiljöer.
"Vi märkte att vattendroppar på risblad och fjärilsvingar rullar av utan ansträngning, och att var och en förblir ren i sin respektive miljö, säger Bhushan.
Denna observation fick utredarna att misstänka att, som hajskinn och lotusblad, risblad och fjärilsvingar har speciella egenskaper som gör dem särskilt motståndskraftiga mot påväxt.
Innan de kunde börja, de var tvungna att ta itu med det faktum att båda dessa strukturer är otroligt känsliga, gör dem svåra att arbeta med i en experimentell miljö. Av denna anledning, de började med att skapa repliker av båda ytorna. Silikon hälldes över verkliga löv och vingar, skapa en "negativ" form som de sedan använde för att skapa en uretanreplika som var bättre lämpad för de rigorösa testerna som utredarna hade i åtanke. Vissa repliker fick också en silikabeläggning för att replikera de superhydrofoba egenskaperna hos de naturliga strukturerna.
De utsatte sedan replikerna för experiment utformade för att bestämma hur effektivt de rörde sig genom luft (drag), hur väl de blev av med föroreningar (självrengörande), hur hårt föroreningar fastnar på ytan (vidhäftning), och hur väl de behöll eller stötte bort vatten (vätbarhet). Som hajskinn, risblad och fjärilsvingar uppvisade lågt motstånd och självrengörande egenskaper. Men båda dessa prover var speciella på ett viktigt sätt:De uppvisade lotusliknande egenskaper inklusive superhydrofobicitet och låg vidhäftning. Denna effekt förstorades i belagda prover, som överträffade obelagda prover i varje test.
Bixler tillskriver dessa fynd den unika strukturen på varje yta.
"Både risblad och fjärilsvingar innehåller funktioner i mikro- och nanostorlek som stöter bort och leder vatten i en riktning, " säger Bixler. "Detta åstadkommes med en kombination av spår och stötar som är osynliga för blotta ögat."
Genom att visa att risblad och fjärilsvingar kombinerar antifouling egenskaper hos några av naturens bästa självrengöringsmedel, Bhushan och Bixler har identifierat nya ytor som kan användas som ingenjörsinspiration för ett brett spektrum av industrier som plågas av biofouling. Förhindra uppbyggnad av biologiskt material på ett fartygs skrov, till exempel, kan öka effektiviteten i fartygets rörelse, i slutändan leder till effektivare bränsleanvändning. Också, Att minska ackumuleringen av bakterier och andra mikrober i medicinska slangar kan avsevärt minska en patients risk för infektion.
"Vi undersöker metoder för att tillverka filmer inspirerade av risblad och fjärilsvingar för applikationer som kräver lågt motstånd, självrengörande och antifouling, " säger Bhushan. Utredarna hoppas att användningen av sådana filmer i olika branscher, inklusive sjukvård, frakt och avancerad tillverkning, kommer att minska kostnaderna och förbättra kvaliteten.
