Hajar i naturen simmar i höga hastigheter i ett djupt hav på grund av sin förmåga att minska motståndet. Vattenflöden runt hajskinnet störs av förskjutna och överlappande mikroskaliga strukturer som kallas denticles. Förutom denna ytjämnhet, glider vatten vid en vätske-fast gränsyta med flera spårliknande mikroribletter på individuella mikrodentiklar.
Dessutom uppvisar hajskinn hög penetrationsmotstånd på grund av dess fyrskiktiga struktur från emalj till dermis. Det finns hårda-mot-mjuka skiktade mekaniska gradienter från utsidan till insidan av hajskinnet.
Detta unika och funktionella hajskinn som finns i naturen motiverar denna studie, publicerad i Advanced Materials , den första att mikrotillverka tredimensionella (3D) överlappade mikrodentiklar med vassa mikroribletter. Det konstgjorda 3D-hajskinnet kunde uppnå flera funktioner genom att efterlikna morfologiska och materialegenskaper hos det naturliga hajskinnet.
Många tidigare studier har genomförts för att utveckla artificiellt hajskinn som efterliknar naturligt hajskinn med funktionella fördelar. Det har dock varit svårt att bilda 3D-överlappande morfologi samtidigt som formen av mikroribletter på mikrodentiklarna bibehålls. Oönskad termisk deformation fortsätter att vara ett problem för de polymerbaserade mikrodentiklarna som regelbundet arrangeras med smala mellanrum.
För att lösa detta problem tillverkade Wie och hans kollegor riblet-texturerade mikrodentiklar med hjälp av en komposit av magnetiska partiklar och elastomera polymerer. Därefter inducerades 3D-mikrodentiklar att böjas tills de överlappade varandra under ett externt magnetfält.
Även om det är ett intressant koncept, finns det ett behov av att formfixa denna magnetiska överlappning för att funktionalisera hajskinn under avlägsnandet av magnetfältet. "Vi har nyligen utvecklat en kemisk formfixeringsstrategi för att tillverka 3D förskjutna-överlappade hajskinn", säger Jeong Jae Wie, professor vid institutionen för organisk och nanoteknik vid Hanyang University.
"Mikrodentiklarna måste aktiveras i motsatt riktning för att belägga ett tunt skikt av flytande polymerharts på hajskinnet. Efter att ha ändrats i riktning framåt, härdas ett tunt polymerskikt, vilket fullbordar mikrotillverkning av 3D-konstgjord hajskinn med immobiliserad magnetisk överlappning ", sa Jeong Eun Park, en första författare i den publicerade studien.
"En unik poäng med detta arbete är förmågan hos deras artificiella 3D-hajskinn att demonstrera flera funktioner medan andra studier bara har kunnat dokumentera en eller två funktioner", säger Wies samarbetspartner, Seung Goo Lee vid University of Ulsan.
Forskargruppen visade först dragreducering, en representativ funktion av naturligt hajskinn. 3D artificiellt hajskinn med hydrofobicitet minskar motståndet när vatten strömmar i mikroribletternas frontriktning.
"I vårt hydrofoba hajskinn fångas luftbubblor av mikrostorlek bland överlappade mikrodentiklar, vilket orsakar att vattenskiktet glider på luftbubblorna", tillade Wies medarbetare, Rhokyun Kwak från Hanyang University.
Utöver denna dragreducerande funktion, uppvisar deras 3D-konstgjorda hajskinn låg friktion vid repning av prov i frontalriktningen och hög mekanisk robusthet med strukturell återhämtning, tack vare arkitekturen hos förskjutna-överlappade mikrodentiklar.
"Intressant nog kan dessa funktioner förbättras genom att belägga det mekaniskt mjuka polymerbaserade hajskinnet med ett tunt skikt av nanoskala av mekaniskt sprött material. Detta koncept motiveras av den hårda-mot-mjuka skiktade strukturen hos det naturliga hajskinnet," tillade Wie.
"Typiskt har mekaniskt mjuk film hög ytfriktion mot kontakt med omgivande hinder. Men i detta arbete minskar friktionskoefficienten när man belägger hajskinn med en tunn keramik eftersom hårda och flexibla egenskaper samexisterar på detta treskiktiga hajskinn", förklarade Wie's samarbetspartner, Sanha Kim från Korea Advanced Institute of Science and Technology.
Därefter belade Wies team det treskiktiga hajskinnet med en tunn metall. I ett test av fördjupning uppvisade fyrskiktigt hajskinn förbättrad hårdhet och återhämtningsbart arbete, jämfört med det icke-belagda polymera hajskinnet. Speciellt när det gäller strukturell återhämtning, "Återställbart arbete kan lagras i de böjda mikrodentiklarna medan de tunna lagren av mekaniskt spröda material kan förstärka den elastiska töjningsenergin hos 3D-konstgjorda hajskinn", tillade Kim.
Dessutom, för mikrotexturerade elektroniska applikationer, när det polymerbaserade hajskinnet är belagt med ett elektriskt ledande MXene-material, har det ett lågt elektriskt motstånd på 5,3 Ω.
"MXene-belagt hajskinn möjliggör joule-uppvärmning med hög temperatur även när en låg spänning appliceras (t.ex. 230°C vid 2,75 V). På grund av MXene-materialets hydrofilicita egenskaper ändras dessutom hajskinnets vätningsegenskaper från hydrofob till hydrofil ," sa Wies medarbetare, Tae Hee Han från Hanyang University.
"Denna forskning är den första som rapporterar om flera funktioner som kan påvisas av 3D-konstgjorda hajskinn, med många potentiella tillämpningar inom en mängd olika områden", säger Lee. Till exempel, om tekniken för detta multifunktionella konstgjorda hajskinn skulle användas inom sjöfartsindustrin, skulle ekonomisk effektivitet kunna genereras genom att minska bränsleförbrukningen och öka fartygets livslängd.
"När det gäller framtida applikationer kan fartyg med vårt 3D-konstgjorda hajskinn förväntas navigera snabbt med minskat motstånd, mindre friktion i kontakt med omgivande hinder och mindre skador från yttre påverkan i havet," tillade Wie.
Mer information: Jeong Eun Park et al., Programmering av anisotropisk funktionalitet för 3D-mikrodentikler med förskjutna-överlappade och flerskiktiga mikroarkitekturer, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202309518
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Hanyang University
