Южноамериканская бабочка взмахнула крыльями и вызвала шквал исследований нанотехнологий в Огайо. Исследователи здесь взглянули на крылья бабочек и рисовые листья, и узнали о микроскопической текстуре, которая могла бы улучшить множество продуктов.
Например, исследователи смогли очистить до 85 процентов пыли от покрытой пластиковой поверхности, которая имитировала текстуру крыла бабочки, по сравнению с только 70 процентами от плоской поверхности.
В недавнем выпуске журнала Soft Matter инженеры из Университета штата Огайо сообщают, что текстуры улучшают поток жидкости и предотвращают загрязнение поверхностей – характеристики, которые можно было бы имитировать на высокотехнологичных поверхностях для самолетов и кораблей, трубопроводов и медицинского оборудования.
«Природа развила многие поверхности, которые самоочищаются или уменьшают сопротивление», – сказал Бхарат Бхушан, ученый-ученый из Огайо и Говард Д. Винбиглер, профессор машиностроения штата Огайо. «Снижение сопротивления желательно для промышленности, будь вы пытаетесь переместить несколько капель крови через наноканалы или миллионы галлонов сырой нефти по трубопроводу. А самоочищающиеся поверхности были бы полезны для медицинского оборудования – катетеры или все, что могло бы содержать бактерии ».
Бхушан и докторант Грегори Бикслер использовали электронный микроскоп и оптический профилировщик для изучения крыльев бабочки гигантского синего морфа (Morpho didius) и листьев рисового растения Oriza sativa. Они наносили пластиковые копии как микроскопических текстур, так и сравнивали их способность отталкивать грязь и воду до реплик рыбных чешуек, кожи акулы и ровных плоских поверхностей.
Обычная для Центральной и Южной Америки, Blue Morpho – знаковая бабочка, ценная за ее блестящий синий цвет и радужную оболочку. Помимо своей красоты, он обладает способностью сбросить грязь и воду с трепетом крыльев.
Бхушан объяснил, что для бабочки в природе, оставаться чистым является критическим вопросом.
«Их крылья настолько деликатные, что грязь или влажность на них затрудняют пролет, – сказал он. «Кроме того, мужчины и женщины узнают друг друга по цвету и узорам на своих крыльях, и каждый вид уникален. Поэтому они должны держать свои крылья яркими и видимыми, чтобы воспроизводить ».
Электронный микроскоп показал, что крылья Синего Морфа не так гладки, как они выглядят невооруженным глазом. Вместо этого текстура поверхности похожа на крышу из шкафа с рядами перекрывающихся черепиц, выходящих из тела бабочки, что указывает на то, что вода и грязь сбрасываются с крыльев «как вода с крыши», сказал Бхушан.
Листья риса обеспечивали более сюрреалистический ландшафт под микроскопом с рядами микрометров (миллионных долей метра) размерами, каждый из которых покрыт еще меньшими нанометровыми (миллиардными метрами) размерами шишки – все они направлены под прямыми дождевыми капельками до стебель и вниз к основанию растения. Лист также имел скользкое воскообразное покрытие, которое удерживает капли воды.
Исследователи хотели проверить, как крылья бабочки и листья риса могут отображать некоторые характеристики других поверхностей, которые они изучали, например, кожа акулы, покрытая скользкими микроскопическими канавками, которые заставляют воду плавно обтекать акулу. Они также тестировали весы для рыб и использовали для сравнения неструктурированные плоские поверхности.
Изучив все текстуры крупным планом, исследователи сделали формы из них в силиконовых и литых пластиковых репликах. Чтобы эмулировать восковое покрытие на листьях риса и скользкое покрытие на кожу акулы (которое в природе действительно слизистое), они покрывали все поверхности специальным покрытием, состоящим из наночастиц.
В одном тесте они выстилали пластмассовые трубы различными текстурами с покрытием и проталкивали их через них. В результате падение давления воды в трубе стало показателем потока жидкости.
Для трубы размером с коктейльную солому тонкая облицовка текстуры кожи акулы, покрытой наночастицами, уменьшала падение давления воды на 29 процентов по сравнению с поверхностью без покрытия. Покрытый рисом лист стал вторым, с 26 процентами, а крыло бабочки заняло третье место с примерно 15 процентами.
Затем они вычистили текстуры с помощью порошка карбида кремния – обычного промышленного порошка, который напоминает натуральную грязь, – и проверили, насколько легко чистить поверхности. Они держали образцы под углом 45 градусов и капали воду из них из шприца в течение двух минут, так что около двух столовых ложек воды полностью омывали их. Используя программное обеспечение, они подсчитывали количество частиц карбида кремния на каждой текстуре до и после промывки.
Кожа акулы получилась самой чистой, при этом 98% частиц отмывались во время теста. Затем появился лист риса, на 95 процентов, и крыло бабочки с 85% -ной смывкой. Для сравнения, только 70 процентов смыло плоскую поверхность.
Бушан считает, что текстура рисового листа может быть особенно пригодна для того, чтобы помочь жидкости двигаться более эффективно через трубы, такие как каналы в микроустройствах или нефтепроводах.
Что касается прекрасных крыльев Blue Morpho, то их способность держать бабочку чистой и сухой предлагает ему, что текстура крыши капота может подойти к медицинскому оборудованию, где это может предотвратить рост бактерий.