Кейси Кейс 1. Метелики надихнули вчених на створення високотехнологічних поверхонь3

Помах крил південноамериканського метелика надихнув учених з Огайо на проведення досліджень в області нанотехнологій. Дослідники по-новому поглянули на крила метелика та рисове листя, вони провели вивчення їх мікроскопічної структури для створення нанотекстури, здатної поліпшити багато матеріалів.

Наприклад, дослідники змогли усунути до 85% бруду з пластмасової поверхні з покриттям, яке по своїй структурі було схоже на крила метелика, в порівнянні із звичайними 70%, яких можна досягти прибиранням на плоскій поверхні. У останньому випуску журналу Soft Matter інженери з Університету штату Огайо повідомляють, що така текстура покращує течію рідини і перешкоджає забрудненню поверхні. Ці характеристики можна утілити в нових високотехнологічних поверхнях для літаків і кораблів, трубопроводів і медичного обладнання.

«Природа створила багато поверхонь, які є такими, що самоочищаються або зменшують лобовий опір, – говорить Бхарат Бхушан, учений і професор в області інженерної механіки в Університеті Огайо. – Зменшення лобового опору потрібне в промисловості – незалежно від того, чи намагаєтеся ви переправити декілька крапель крові по наноканалу або мільйони галонів сирої нафти по трубопроводу. А поверхні, що самоочищаються, були б корисні для медичного обладнання – в катетерах або будь-якому іншому обладнанні, де можуть жити бактерії».

Бхарат Бхушан і докторант Грегорі Бікслер використали електронний мікроскоп і оптичний профілометр для вивчення велетенського синього метелика морфо (Morpho didius), а також листя рисового злаку Oriza sativa. Вони відлили пластмасові копії обох мікроскопічних структур і порівняли їх здатність до відштовхування бруду і води з точними копіями риб’ячої луски, акулячої шкури і звичайною плоскою поверхнею.

Блакитна морфо, яка зустрічається в Центральній і Південній Америці, – це широко відомий метелик, якого цінують за виблискуючий синій колір і переливчастість. Окрім краси він має здатність відштовхувати бруд і воду при помаху крил. «Для метелика, що живе в природних умовах, збереження чистоти – це першочергове завдання, – пояснює Бхарат Бхушан. – Його крила настільки тонкі, що осідання бруду або вологи робить їх занадто важкими, і метелик не може злетіти».

Електронний мікроскоп показав, що крила синього морфо не такі гладкі, як здається, коли дивишся неозброєним оком. Структура їх поверхні нагадує дах з рядами розташованої внахлест черепичної плитки, які розходяться від тіла метелика в сторони так, щоб вода і бруд скачувалися з крил "як вода з даху", говорить Бхарат Бхушан.

Рисове листя виявило під мікроскопом ще фантастичніший пейзаж - ряди жолобків розміром з мікрометр (мільйонна частина метра), кожен з яких покритий ще меншими випуклостями розміром з мілімікрон (мільярдна частина метра). Усі вони знаходяться під таким кутом, щоб краплі дощу стікали вниз до стеблини і далі – до кореня рослини. На листі також є слизьке воскове покриття, яке допомагає крапелькам води стікати вниз.

Дослідники хотіли порівняти характеристики крил метелика і рисового листя з іншими поверхнями, які вони дослідили, – такими як акуляча шкура, яка покрита слизькими мікроскопічними поглибленнями, завдяки яким вода м’яко обтікає акулу. Вони також перевірили риб’ячу луску і нетекстуровані плоскі поверхні.

Після вивчення усіх структур дослідники зробили форми з силікону і відлили їх пластмасові копії. Щоб зімітувати воскове покриття на листі рису і слизьке покриття на акулячій шкурі, яка в природі є слизовою, вони покрили усі поверхні спеціальною речовиною, що складається з наночасток. В ході одного з тестів вони помістили поруч пластмасові труби різних текстур з покриттям і пустили по них воду. Тиск води в трубі в ході експерименту характеризував потік рідини. У трубі розміром з коктейльну соломку тонкий шар акулячої шкури, покритий наночастками, зменшив гідравлічний тиск на 29% порівняно з поверхнею без покриття. Рисовий листок з покриттям показав другий результат з 26%, а крило метелика виявилося третім приблизно з 15%.

Потім вони посипали поверхні карбідокремнієвим порошком (поширений промисловий порошок, що нагадує звичайний бруд) і протестували поверхню на легкість змивання порошку. Вони тримали зразки під кутом 45 градусів і крапали на них воду з шприца впродовж двох хвилин так, щоб по них протекло приблизно по дві столові ложки води. Використовуючи програмне забезпечення, вони порахували число карбідокремнієвих часток на кожній поверхні до і після миття. Шкура акули виявилася найчистішою: з неї під час тесту змилося 98% частиць. Потім йдуть рисовий лист з 95% та крило метелика приблизно з 85-процентним показником чистоти. Для порівняння: з плоскої поверхні змилося тільки 70% частиць.

Бхарат Бушан думає, що структура рисового листя могла б особливо підійти для ефективнішого протікання рідини по трубах, таких як канали в мікропристроях або нафтопроводи. Здатність красивих крил синього морфо підтримувати метелика в чистоті і сухості надихнула учених на думку, що структура черепичного даху могла б підійти для медичного обладнання, де вона могла б запобігти зростанню бактерій.