Inspirerad av de extraordinära egenskaperna hos isbjörnspäls, lotusblad och geckofötter, ingenjörsforskare har utvecklat ett nytt sätt att göra uppsättningar av nanofibrer som kan ge oss beläggningar som är klibbiga, repellerande medel, isolerande eller ljusavgivande, bland andra möjligheter.

"Detta är så avlägsnat från allt jag någonsin sett att jag skulle ha trott att det var omöjligt, sa Joerg Lahann, en professor i kemiteknik vid University of Michigan och senior författare till studien i tidskriften Vetenskap .

Forskare vid UM och University of Wisconsin gjorde den något otroliga upptäckten, som avslöjade en ny och kraftfull metod för att göra uppsättningar av fibrer som är hundratals gånger tunnare än ett människohår.

Isbjörnshår är strukturerade för att släppa in ljus samtidigt som värmen inte strömmar ut. Vattenavvisande lotusblad är belagda med arrayer av mikroskopiska vaxartade tubuli. Och hårstråna i nanoskala på botten av gravitationstrotsande geckofötter kommer så nära andra ytor att atomära attraktionskrafter spelar in. Forskare som vill efterlikna dessa superkrafter och fler har behövt ett sätt att skapa de minimala arrayerna som gör jobbet.

"I grunden det här är ett helt annat sätt att göra nanofibermatriser, sa Lahann.

Forskarna har visat att deras nanofibrer stötte bort vatten som lotusblad. De odlade raka och böjda fibrer och testade hur de höll ihop som kardborreband - de upptäckte att medurs och moturs tvinnade fibrer stickades samman tätare än två rader av raka fibrer.

De experimenterade också med optiska egenskaper, att göra ett material som glödde. De tror att det kommer att vara möjligt att göra en struktur som fungerar som en isbjörnspäls, med individuella fibrer strukturerade för att kanalisera ljus.

Men molekylära mattor var inte den ursprungliga planen. Lahanns grupp arbetade med Nicholas Abbotts grupp, vid den tiden professor i kemiteknik vid UW-Madison, att lägga tunna filmer av kedjeliknande molekyler, kallas polymerer, ovanpå flytande kristaller. Flytande kristaller är mest kända för sin användning i skärmar som tv-apparater och datorskärmar. De försökte göra sensorer som kunde detektera enstaka molekyler.

Lahann tog med sig expertis i att producera tunna filmer medan Abbott ledde designen och produktionen av de flytande kristallerna. I typiska experiment, Lahanns grupp avdunstar enstaka länkar i kedjan och förmår dem att kondensera på ytor. Men de tunna polymerfilmerna blev ibland inte som förväntat.

"Upptäckten förstärker min uppfattning att de bästa framstegen inom vetenskap och teknik sker när saker och ting inte går som planerat, " sa Abbott. "Du måste bara vara uppmärksam och se misslyckade experiment som möjligheter."

Istället för att belägga toppen av den flytande kristallen, länkarna gled in i vätskan och förenades med varandra på glasskivan. Den flytande kristallen styrde sedan formerna på nanofibrerna som växte upp från botten, skapa mattor i nanoskala.

"En flytande kristall är en relativt oordnad vätska, ändå kan den malla bildandet av nanofibrer med anmärkningsvärt väldefinierade längder och diametrar, " sa Abbott.

Och de gjorde inte bara raka trådar. Beroende på flytande kristall, de kan generera böjda fibrer, som mikroskopiska bananer eller trappor.

"Vi har mycket kontroll över kemin, typen av fibrer, fibrernas arkitektur och hur vi deponerar dem, ", sa Lahann. "Detta tillför verkligen mycket komplexitet till hur vi kan konstruera ytor nu; inte bara med tunna tvådimensionella filmer utan i tre dimensioner."

Studien har titeln "Mallad nanofibersyntes via kemisk ångpolymerisation till flytande kristallina filmer."