En multidisciplinär grupp som studerar de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos insektsvingar har visat förmågan att reproducera de nanostrukturer som hjälper cikadvingarna att stöta bort vatten och hindra bakterier från att etablera sig på ytan. Den nya tekniken – som använder kommersiellt nagellack – är ekonomisk och enkel, och forskarna sa att det kommer att hjälpa till att tillverka framtida högteknologiska vattentäta material.

Teamet använde en förenklad version av en tillverkningsprocess - kallad nanoimprinting litografi - för att göra en mall av de komplexa pelarformade nanostrukturerna på vingarna av Neotibicen pruinosus, en årlig cikada som finns i den centrala regionen i USA. Mallarna är helt upplösbara och producerar repliker som i genomsnitt är 94,4 % av pelarens höjd och 106 % av den ursprungliga vingen, eller masterstrukturens pelardiameter, sa forskarna.

Resultaten av studien publiceras i tidskriften Nanobokstäver .

"Vi valde att arbeta med vingar av denna art av cikada eftersom vårt tidigare arbete visar hur de komplexa nanostrukturerna på deras vingar ger en enastående förmåga att stöta bort vatten. Det är en mycket önskvärd egenskap som kommer att vara användbar i många materialtekniska tillämpningar, från flygplansvingar till medicinsk utrustning, sa Marianne Alleyne, en entomologiprofessor vid University of Illinois i Urbana-Champaign, som ledde studien tillsammans med Donald Cropek, från U.S. Army Corps of Engineers' Construction Engineering Research Laboratory, och Nenad Miljkovic, professor i mekanisk vetenskap och teknik vid Illinois.

Nanoimprinting litografi är inte ny men kan vara arbetskrävande och dyr, sa forskarna. Vissa metoder använder giftiga material som kan skada det ursprungliga kopierade föremålet, som en delikat cikadvinge. Andra kräver höga temperaturer som inte är kompatibla med biologiska prover som växter eller insekter.

"Vår process tillåter oss att göra detta i ett öppet labb vid rumstemperatur och atmosfärstryck, " sa Cropek. "Vi använder nagellack och tvättsprit, som inte orsakar någon skada på de ömtåliga vingarnanostrukturerna."

I labbet, teamet applicerar ett snabbtorkande nagellack direkt på en cikadvinge, som sedan får härda i rumstemperatur.

"Det var inte lätt att hitta rätt formula för nagellack eftersom vi vill undvika en som kommer att skeva eller sträcka mallen under borttagning, " sa Alleyne. När det är klart, mallen kan beläggas med en polymer eller metall och sedan lösas bort, lämnar bara kopian av metall eller polymer.

För att visa mångsidigheten i den nya metoden, teamet experimenterade med två mycket olika replikmaterial:kopparmetall och en flexibel kiselbaserad organisk polymer som kallas PDMS.

"Vi visade att tekniken är kompatibel med fysisk ångavsättning och elektrokemisk avsättning av metaller, oxider eller keramik, såväl som kemisk ångavsättning och spinnbeläggning av mjukare material som polymerer, sa Miljkovic.

"Koppar är särskilt intressant för oss på grund av dess inneboende antimikrobiella egenskaper, och vårt tidigare arbete indikerar att vissa cikadarter uppvisar antimikrobiella egenskaper på sina vingar, ", sa Alleyne. "Vi vet inte om det är kemikalierna på vingens yta eller de fysiska nanostrukturerna, eller en kombination av både kemi och topografi, som producerar bakteriedödande aktivitet, but being able to produce materials with different chemistries and structures will help us answer that fundamental question. This new, relatively simple fabrication method will ultimately help us design multifunctional engineered materials."