En skalbagge i Namiböknen i Afrika använder sin strukturerade rygg för att samla dricksvatten från den dimmafyllda morgonvinden. Om forskare kan utföra lite skalbaggebiomimik, det skulle innebära en ny källa för vatten i torra områden. Kredit:James Anderson (CC BY-NC-SA 2.0)
I Namiböknen i Afrika, den dimma fyllda morgonvinden bär dricksvattnet för en skalbagge som kallas Stenocara.
Små droppar samlas på skalbaggens stötiga rygg. Områdena mellan stötarna är täckta av en vaxartad substans som gör dem vattenavvisande, eller hydrofob (vattenrädd). Vatten samlas på den vattenälskande, eller hydrofil, stötar, bildar droppar som så småningom blir för stora för att stanna kvar, rulla sedan ner den vaxartade ytan.
Skalbaggen släcker sin törst genom att luta ryggen uppåt och smutta på de ackumulerade dropparna som faller in i munnen. Otroligt, skalbaggen samlar tillräckligt med vatten genom denna metod för att dricka 12 procent av sin kroppsvikt varje dag.
För mer än ett decennium sedan, nyheterna om den här varelsens effektiva vattenuppsamlingssystem inspirerade ingenjörer att försöka reproducera dessa ytor i labbet.
Småskaliga framsteg inom vätskefysik, materialteknik och nanovetenskap sedan dess har fört dem nära att lyckas.
Dessa små utvecklingar, dock, har utsikter att leda till förändringar i makroskala. Att förstå hur vätskor interagerar med olika material kan leda till effektivare, billiga processer och produkter, och kan till och med leda till flygplansvingar som är ogenomträngliga för is och självrengörande fönster.
Skalbaggar i labbet
Genom att använda olika metoder för att skapa intrikat mönstrade ytor, ingenjörer kan tillverka material som nära efterliknar skalbaggens rygg.
"För tio år sedan hade ingen förmågan att mönstra ytor så här i nanoskala, " säger Sumanta Acharya, en programledare för National Science Foundation (NSF). "Vi observerade naturligt hydrofoba ytor som lotusbladet i årtionden. Men även om vi förstod det, vad kan vi göra åt det?"
Vad forskare har gjort är att skapa ytor som utmärker sig så mycket för att stöta bort eller locka till sig vatten att de har lagt till en "super" längst fram i beskrivningen:superhydrofob eller superhydrofil.
Många superhydrofoba ytor skapade av kemiska beläggningar finns redan på marknaden (vattenavvisande skor! skjortor! iPhones!).
Dock, många forskare fokuserar på material med fysiska element som gör dem superhydrofoba.
Dessa material har mikro- eller nanostora pelare, stolpar eller andra strukturer som ändrar vinklarna vid vilka vattendroppar kommer i kontakt med deras yta. Dessa kontaktvinklar avgör om en vattendroppe pärlar sig som en liten kristallkula eller slappnar av lite och vilar på ytan som en spilld milkshake.
Genom att variera layouten på dessa ytor, forskare kan nu fånga, rikta och stöta bort små mängder vatten för en mängd nya ändamål.
"Vi kan nu göra saker med vätskor vi bara föreställt oss tidigare, " säger mekanisk ingenjör Constantine Megaridis vid University of Illinois i Chicago. Megaridis och hans team har två NSF-anslag från Engineering Directorate's Division of Chemical, Bioteknik, Miljö- och transportsystem.
"Utvecklingen har gjort det möjligt för oss att skapa enheter - enheter med potential att hjälpa mänskligheten - som gör saker mycket bättre än någonsin tidigare, " han säger.
Megaridis har använt sin skalbaggeinspirerade design för att precisera, texturerade mönster på billiga material, gör mikrofluidiska kretsar.
Plastremsor med superhydrofila centra och superhydrofobiska omgivningar som kombinerar eller separerar vätskor har potential att fungera som plattformar för diagnostiska tester (se "The ride of the water droplets").
"Föreställ dig att du vill ta med droppar blod eller vatten eller någon vätska till en viss plats, ", förklarar Megaridis. "Precis som en motorväg, vägen är remsan för vätskan att färdas ner, och det hamnar i en vätskelagringstank på ytan. "Lagertanken kan hålla ett reaktivt medel. Medicinsk personal kan använda engångsremsorna för att testa vattenprover för E. coli, till exempel.
Enheter som dessa – skapade i ingenjörslaboratorier – arbetar sig nu ut på marknaden.
Vatten, vatten i luften
NBD nanoteknik, ett Boston-baserat företag finansierat av NSF:s Small Business Technology Transfer-program, syftar till att skala upp hållbarheten och funktionaliteten hos ytbeläggningar för industriellt bruk.
Superhydrofoba material har pelare av mikro- eller nanostorlek, stolpar eller andra strukturer som ändrar vinklarna vid vilka vattendroppar kommer i kontakt med deras yta. Dessa kontaktvinklar avgör om en vattendroppe pärlor upp som en teeny kristallkula eller slappnar av lite och vilar på ytan som en spilld milkshake. Genom att variera layouten på dessa ytor, forskare kan fånga, rikta och stöta bort små mängder vatten för en mängd nya ändamål. Kredit:Constantine M. Megaridis, Aritra Ghosh, Ranjan Ganguly, Maskin- och industriteknik, University of Illinois i Chicago
En av de mest effektiva tillämpningarna för superhydrofob eller hydrofob forskning är förbättrad kondenseringseffektivitet. När vattenånga kondenserar till en vätska, det bildar vanligtvis en film. Den filmen är en barriär mellan ångan och ytan, vilket gör det svårare för andra droppar att bildas. Om den filmen kan förhindras genom att viska bort droppar omedelbart efter att de kondenserats — säg, med en superhydrofob yta – kondensationshastigheten ökar.
Kondensorer finns överallt. De finns i ditt kylskåp, bil och luftkonditionering. Mer effektiv kondens skulle låta all denna utrustning fungera med mindre energi. Bättre effektivitet är särskilt viktigt på platser där storskalig kylning är av största vikt, såsom kraftverk.
"NBD gör mer hållbara beläggningar som spänner över stora ytor, " säger NBD Nanotechnologies senior forskare Sara Beaini. "Hållbarhet är en viktig faktor, för när du arbetar på mikronivå är du beroende av att ha en orörd ytstruktur. Varje mekanisk eller kemisk nötning som förvränger ytstrukturerna kan avsevärt minska eller eliminera de fördelaktiga ytegenskaperna snabbt."
OBS, som du kanske gissat står för Namib Beetle Design, har samarbetat med Megaridis och andra för att förbättra hållbarheten, den största utmaningen vid kommersialisering av superhydrofob forskning. Kraftverkskondensatorer med hållbara hydrofoba eller superhydrofoba beläggningar skulle kunna vara mer effektiva. And with water and energy shortages looming, partnerships such as theirs that help to transfer this breakthrough from the lab to the outside world are increasingly valuable.
Other groups have applied hydrophobic patterning methods in clever ways.
Engineers look to nature to learn how to reduce the time it takes for a water droplet to bounce away from a surface. Lotus leaves, once considered the gold standard of superhydrophobic materials, are naturally water-repellant due to the tiny bumps on their surface. Photo taken at Meadowlark Botanical Gardens, Vienna, Va. Credit:Paloma E. Gonzalez
Kripa Varanasi, mechanical engineer at MIT and NSF CAREER awardee, has applied superhydrophobic coatings to metal, ceramics and glass, including the insides of ketchup bottles. Julie Crockett and Daniel Maynes at Brigham Young University developed extreme waterproofing by etching microscopic ridges or posts onto CD-sized wafers.
With all these cross-country efforts, many are optimistic for a future where people in dry areas can harvest fresh water from a morning wind, and lower their energy needs dramatically.
"If someone comes up with a really cheap solution, then applications are waiting, " said Rajesh Mehta, NSF Small Business Innovation Research/Small Business Technology Transfer program director.
