Ingenieure Folgen der Natur auf sauber zu halten

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Mit 3,5 Milliarden Jahren der Forschung und Entwicklung unter ihrem Gürtel Mutter Natur der weltweit erfahrensten biologische Ingenieur in Erwägung gezogen werden. Sicher, ihre Methoden können zeitweise planlos erscheinen, aber ihre Erfolgsbilanz bei der Entwicklung von Organismen, die an die von ihnen erforderlichen Aufgaben exquisit angepasst sind, ist wirklich sehr erstaunlich.

Eine Aufgabe, die, der Sie besonders gewidmet worden, ist finden, Möglichkeiten, um ihre Kreationen von Schmutz und Verunreinigungen zu säubern. Es ist daher nicht verwunderlich, dass heutige Ingenieure zur Natur für Inspiration suchen, wenn es um den Umgang mit "Biofouling" oder den unerwünschten Aufbau des biologischen Materials, das eine Vielzahl von Branchen zu plagen.

Eine aktuelle Studie von Forschern an der Ohio State University hat festgestellt, dass Reis Blätter und Schmetterlingsflügel machen nutzen Sie einige einzigartige Oberflächeneigenschaften, die Selbstreinigung zu fördern. Die Forscher glauben, dass einige dieser Features in künstliche Produkte integrieren Schlüssel zur Bekämpfung der Probleme im Zusammenhang mit Biofouling sein könnte.

"Lebendige Natur ist voll von engineering-Wunder aus der Mikro auf der Makroebene, die Menschheit seit Jahrhunderten inspiriert haben," sagt Bharat Bhushan, senior-Autor der Studie und Direktor des Nanoprobe Labors für Bio- und Nanotechnologie und Bionik an der Ohio State University.

Betrachten Sie, zum Beispiel, dass während ein Schiffes durch Seepocken festgefahren wird als es den Ozean überquert, ein Hai schwimmen im selben Ozean sauber wie ein Pfiff bleibt. Ein Grund dafür ist, dass Haifischhaut aus eine spezielle Art von Skala von Hilfe, die Reibung zu reduzieren bestehend ist, wie der Hai durch das Wasser reist abgedeckt. Reduzierter Reibung bedeutet, dass Wasser fließt schneller über die Oberfläche, so dass es schwierig für mikroskopische Tramper, greifen halten. Dieses Phänomen nennt man die Shark-Skin-Effekt. Lotosblatt, auf der anderen Seite behält seine quietschende reinigen Ruf mit einer wachsartigen Oberflächenstruktur, die Wasser, eine Eigenschaft namens Superhydrophobicity abstößt. In Kombination mit geringer Haftung, nennt dies der Lotus-Effekt.

September 2012-Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift weicher Materie durch Dr. Bhushan und graduate Student der Ingenieurswissenschaften Greg Bixler, zeigt, die dass Reis Blätter und Schmetterling Flügel kombinieren die Leichtzügigkeit der Haifischhaut mit Superhydrophobicity Lotosblatt, setzen diese Flächen an der Spitze der Liste der Natur machte selbst Reiniger.

Die Idee zu Reis betrachten lässt und Schmetterlingsflügel kam zu den Ermittlern aus diese Strukturen in ihrem natürlichen Lebensraum zu beobachten.

"Wir haben festgestellt, dass Wassertropfen auf Reis Blätter und Schmetterling Flügel Roll off mühelos und jeweils in ihrer jeweiligen Umgebung sauber bleibt", sagt Bhushan.

Diese Beobachtung führt die Ermittler zu vermuten, dass, wie Hai-Haut und Lotus-Blätter, Reis Blätter und Schmetterlingsflügel besondere Eigenschaften, die sie besonders resistent gegen Verschmutzung zu machen.

Bevor sie beginnen konnte, mussten sie die Tatsache ansprechen, dass beide dieser Strukturen unglaublich zart sind, so dass sie schwer zu in einer experimentellen Umgebung arbeiten. Aus diesem Grund begannen sie Replikate beider Oberflächen erstellen. Silikon wurde über die eigentlichen Blätter gegossen und Flügel, erstellen eine "negative" Form, die sie dann zur Erstellung eine Urethan-Replik besser geeignet, um die strengen tests der Ermittler im Sinn hatte. Einige Repliken erhalten auch eine Silica-Beschichtung, um die superhydrophob Eigenschaften der natürlichen Strukturen zu replizieren.

Sie dann ausgesetzt die Replikate Experimente entwickelt, um festzustellen, wie effizient sie durch Luft (ziehen) verschoben, wie gut sie Verunreinigungen (selbstreinigend) losgeworden, wie eng Verunreinigungen an der Oberfläche (Adhäsion) stecken und wie gut sie beibehalten oder Wasser (Benetzbarkeit) abgestoßen. Wie Haifischhaut Reis Blätter und Schmetterlingsflügel Leichtzügigkeit und selbstreinigende Eigenschaften ausgestellt. Aber beide dieser Proben waren besondere in einem wichtigen Punkt: sie stellte Lotus-ähnliche Eigenschaften einschließlich Superhydrophobicity und geringe Haftung. Dieser Effekt wurde in beschichteten Proben, unbeschichtete Proben in jedem Test liegenden vergrößert.

Bixler schreibt diese Erkenntnisse auf die einzigartige Struktur der einzelnen Flächen.

"Reis-Blätter und Schmetterlingsflügel enthalten Mikro und Nano-Größe Features, die abstoßen und Wasser in eine Richtung zu lenken", sagt Bixler. "Dies geschieht mit einer Kombination von Rillen und Unebenheiten, die für das bloße Auge unsichtbar sind."

Durch zeigen, die Reis Blätter und Schmetterling Flügel Antifouling-Eigenschaften von einigen der besten Self-Reiniger der Natur kombinieren, Bhushan und Bixler identifiziert haben neue Flächen, die als technische Inspiration für eine Vielzahl von Branchen geplagt von Biofouling verwendet werden können. Verhindert den Aufbau von biologischer Materie auf den Schiffsrumpf, könnte beispielsweise die Effizienz der Bewegung des Schiffes, letztlich zu einer effizienteren Kraftstoffverbrauch erhöhen. Reduziert die Ansammlung von Bakterien und andere Mikroben in medizinische Schläuche könnte ein Patient Infektionsrisiko auch erheblich reduzieren.

Sagen Sie "Wir untersuchen Methoden, um Reis Blatt und Schmetterling Flügel inspirierten Folien für Anwendungen mit geringen Luftwiderstand, selbstreinigend und Antifouling-fabrizieren" Bhushan. Die Forscher hoffen, dass die Verwendung solcher Filme in verschiedenen Branchen, wie Gesundheitswesen, Transport und fortschrittliche Fertigung, Kosten senken und Qualität verbessern wird.

Bushan Studie über Reis Blätter und Schmetterlingsflügel trug den Titel "Muskelmodelle Reis Blatt und Schmetterling Flügel Oberflächenstrukturen Kombination von Hai-Haut und Lotus-Effekte" und wurde online veröffentlicht in der Zeitschrift Soft Matter am 11. September 2012. (DOI: 10.1039/c2sm26655e)

Anmerkung des Herausgebers : Die Forscher in Behind the Scenes Artikel dargestellt wurden unterstützt von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.