Materiał zatrzymujący wodę jak płatki róży

rose

Naukowcy projektujący innowacyjne materiały często zwracają się w kierunku królestwa roślin. Naśladowanie rozwiązań funkcjonujących w naturze jest szczególnie widoczne w przypadku powierzchni zatrzymujących lub odpychających wodę. Tym razem, badacze z Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) w Singapurze zainspirowani płatkami róży stworzyli płaszczyznę zatrzymującą kropelki wody. Materiał może znaleźć zastosowanie komercyjne w kontroli kondensacji pary wodnej w szklarniach, kokpitach samolotów oraz korekcie przepływu cieczy w urządzeniach mikrofluidalnych.

Dział nauki zajmujący się naśladowaniem zachowania i funkcjonowania natury oraz ich adaptowaniem w technice nazywany jest biomimetyką (bioniką). Najczęściej przytaczanym przykładem są rzepy syntetyczne z haczykami i pętelkami zaprojektowanymi na wzór koszyczków kwiatowych łopianu. Kolejnym przypadkiem są liście lotosu, inicjujące wynalezienie hydrofobowych powierzchni, z których nawet duże krople wody spływają nie zostawiając śladu zwilżenia, zabierając ze sobą zanieczyszczenia. Na naszych łamach informowaliśmy już wcześniej o najbardziej wodoodpornym materiale w historii, superhydrofobowej powłoce w sprayu i powłokach antytłuszczowych inspirowanych rybami. Powstanie materiału, który posiada zdolność do zatrzymywania wody zawdzięczamy płatkom róży. Krople przylegają do płatka nawet, gdy ten jest przechylony lub obrócony o 180 stopni. Dzieje się tak, ponieważ na jego powierzchni znajdują się ściśle upakowane, stożkowe struktury o średnicy kilku mikrometrów. Wzory przyczyniają się do zwiększenia przyciągania (przypisywanego siłom kapilarnym i van der Waalsa) pomiędzy molekułami cieczy a materiałem. Wzrost napięcia powierzchniowego nadaje kształt kropelkom wody (kąt zwilżania wynosi około 150°), powodując ich silne przyleganie do płatka.

W 2008 roku badacze próbowali stworzyć podobny efekt używając płatków róży jako szablonów do formowania struktur z polioctanu winylu (z ang. polyvinyl acetate, PVA) oraz polidimetylosiloksanu (z ang. polydimethylsiloxane, PDMS). Inni tworzyli stożkowate kształty na podłożach z krzemu lub metali za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Uzyskano pozytywne rezultaty, lecz żadna z tych metod nie nadawała się do zastosowania w produkcji masowej.

Rozwiązanie przedstawione przez inżynierów z A*STAR wykorzystywało zmodyfikowaną technikę nanolitografii (z ang. nanoimprint lithography). Technologia umożliwia tworzenie struktur na powierzchni w skali nano (co najmniej w jednym wymiarze do 100 nanometrów). Proces ten zapewnia stosunkowo niskie koszty, wysoką rozdzielczość i wydajność. Do badań użyto podłoży z poliwęglanu (z ang. polycarbonate, PC) oraz polimetakrylanu metylu, znanego również pod handlową nazwą jako pleksiglas (z ang. polymethyl methacrylate, PMMA). Zaprojektowano także kilka różnych wzorów w celu porównania póżniejszych właściwości adhezyjnych powierzchni. Jako stemple służyły niklowe płytki z odpowiednimi nanowzorami. Były one dociskane do polimerowych arkuszy. Fabrykację prowadzono przez 5 minut, w temperaturze 180°C dla PC oraz 150°C dla PMMA (temperatura zeszklenia poliwęglanu wynosi 150°C, a szkła akrylowego 105°C). Ułatwiało to formowanie zmiękczonego, lepkiego materiału polimerowego. Następnie, temperaturę układów zmniejszano, a wytłoczone nanostruktury utrwalano światłem ultrafioletowym.

Kolejnym etapem był test na zatrzymywanie kropel wody. Próbki ustawiono w pozycji prostopadłej do stołu, po czym nanoszono na nie coraz większe krople, aż do momentu ich ześlizgnięcia. Najlepsze właściwości wykazał arkusz z poliwęglanu, na którym znajdowały się gęsto upakowane stożki o wysokości 300 nanometrów. Struktury utrzymywały masywne krople o wadze 69 mg.

Zespół twiedzi, że może produkować podłoża o wymiarach 110 mm na 65 mm, z szybkością do 10 metrów na minutę. Obecnie, wymiary ograniczone są powierzchnią niklowych form. Jak sugerują eksperci nie związani z A*STAR, dzięki nanolitografii produkcja materiałów zatrzymujących wodę w końcu może być opłacalna. Badacze z Singapuru chcą dalej zgłębiać zagadnienia przylegania cieczy, związane ze zmianą chropowatości materiałów. Planują także dalszą optymalizację i wprowadzenie technologii na rynek. Film prezentujący możliwości materiału można pobrać tutaj (zapisz jako).

Źródło:
[1] Bioinspired Ultrahigh Water Pinning Nanostructures. Jaslyn Bee Khuan Law, Andrew Ming Hua Ng, Ai Yu He, and Hong Yee Low. Langmuir 2014 30 (1), 325-331
[2] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la4034996?source=cen [30.01.2014]
[3] http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/la4034996 [30.01.2014]
[4] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/la4034996/suppl_file/la4034996_si_001.pdf [30.01.2014]
[5] Rose (201 / 365) by Casey Fleser (somegeekintn), flickr.com, CC BY 2.0

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *