Результаты этого исследования были опубликованы сегодня (17 июля) в Science Advances.
Благодаря улучшенной способности отталкивать капли, эта конструкция может быть применена к средствам индивидуальной защиты (СИЗ), чтобы лучше противостоять вирусным частицам, таким как COVID-19, среди других приложений.
«В течение последних нескольких десятилетий водоотталкивающие поверхности традиционного дизайна обычно основывались на растениях, таких как листья лотоса», – сказал Линь Ван, докторант кафедры материаловедения и инженерии Пенсильванского университета.
Классические инженерные теории использовали этот подход для создания супергидрофобных или водоотталкивающих поверхностей.
Традиционно они производятся с текстурами с низким содержанием твердых фракций, которые поддерживают чрезвычайно тонкий слой воздуха над микроскопическими, похожими на волосы наноструктурами с низкой плотностью, которые исследователи сравнивают со столом для аэрохоккея.
«Причина в том, что если капля или объект плавают в воздухе, они не прилипнут к поверхности», – сказал Так-Синг Вонг, профессор инженерных наук в Уормли, доцент кафедры механической и биомедицинской инженерии и Советник Вана.
Поскольку это работает эффективно, искусственные покрытия имеют тенденцию имитировать низкую плотность этих наноструктур.
Однако в этой статье описывается совершенно другой подход. Изучая поверхности, такие как глаз комара, тело коллембол или крыло цикады, под электронными микроскопами высокого разрешения, Ван обнаружил, что наноскопические волоски на этих поверхностях более плотно упакованы, что в инженерии называется текстурой с высоким содержанием твердых частиц. При дальнейшем исследовании это существенное отклонение от структуры растений может дать дополнительные водоотталкивающие свойства.
«Представьте, если бы у вас была высокая плотность этих наноструктур на поверхности», – сказал Ван. "Можно было бы сохранить стабильность воздушного слоя от более высоких ударных сил."
Это также может означать, что более плотно упакованные структуры могут отталкивать жидкость, движущуюся с более высокой скоростью, например капли дождя.
Хотя концепция дизайна нова для людей, исследователи предполагают, что эта наноструктура повышает устойчивость насекомых в их естественной среде обитания.
"Для этих поверхностей с насекомыми отталкивание капель воды – вопрос жизни и смерти. Сила удара капель дождя достаточно, чтобы отнести их к земле и убить », – сказал Ван. "Итак, им действительно важно оставаться сухими, и мы выяснили, как."
Благодаря этим знаниям, полученным от природы, исследователи надеются применить этот принцип конструкции для создания покрытий следующего поколения.
Благодаря разработке водоотталкивающей поверхности, которая может противостоять более быстрым движущимся и более высоким каплям ударов, возможности применения многочисленны.
От небольших летающих роботизированных транспортных средств, таких как дроны, с которыми Amazon надеется доставить посылки, до коммерческих авиалайнеров – покрытие, имитирующее поверхности этих насекомых, может обеспечить повышенную эффективность и безопасность.
Однако в свете пандемии COVID-19 исследователи с тех пор поняли, что это знание может оказать дополнительное влияние на здоровье человека.
«Мы надеемся, что после разработки это покрытие можно будет использовать для СИЗ. Например, если кто-то чихает через маску для лица, это капли с высокой скоростью. При использовании традиционного покрытия эти частицы могут прилипать к поверхности СИЗ », – сказал Вонг. «Однако, если принципы конструкции, подробно описанные в этом документе, будут успешно приняты, он сможет гораздо лучше отталкивать эти капли и, возможно, сохранить поверхность без микробов."
Как видно из этой работы, Лаборатория Вонга по вдохновленной природой инженерии опирается на биологические явления, чтобы сделать инновации человечества лучше и эффективнее.
«Хотя мы не представляли себе это приложение в начале этого проекта, COVID-19 заставил нас задуматься о том, как мы можем использовать этот принцип дизайна, чтобы принести пользу большему количеству людей», – сказал Вонг. "Нам, как инженерам, предстоит взять эти открытия и применить их осмысленно."
Следующим шагом в этой работе будет разработка крупномасштабного экономичного метода, с помощью которого можно будет производить покрытие, имитирующее эти свойства.
«В прошлом у нас не было эффективной поверхности, которая могла бы отражать высокие капли воды», – сказал Вонг. "Но насекомые рассказали нам, как. Таких примеров в природе очень много; нам просто нужно учиться у них."
Это исследование финансировалось Национальным научным фондом, Фондом PPG, Фондом ранней карьеры семьи Уормли, наградой за гуманитарную инициативу в области материалов, спонсируемой Ковестро, и Институтом исследования материалов в Пенсильвании. Среди дополнительных участников – Жуйси Ван, выпускница бакалавриата, и Цзин Ван, аспирант кафедры машиностроения.