science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Plant met eierklopper testure inspireert waterdichte coating

Een druppel water zit bovenop eierklopper-vormige haren op een Salvinia molesta blad. Krediet:Afbeelding met dank aan de Ohio State University.

Een drijvend onkruid dat waterwegen over de hele wereld verstopt, heeft minstens één verlossende eigenschap:het is geïnspireerd op een hightech waterdichte coating die bedoeld is voor boten en onderzeeërs.

De Braziliaanse varen Salvinia molesta heeft zich verspreid over Amerika en Australië, deels omdat het oppervlak bezaaid is met vreemd gevormde haren die lucht vasthouden, wrijving verminderen, en help de plant overeind te blijven.

In het nummer van 1 november van Journal of Colloid and Interface Science, Ingenieurs van de Ohio State University beschrijven hoe ze de textuur hebben nagebootst, dat lijkt op een tapijt van kleine eierklopper-vormige vezels. De plastic coating die ze in het laboratorium hebben gemaakt, is zacht en pluche, als een microscopisch hoogpolig tapijt.

In de natuur, luchtbellen aan de basis van Salvinia's haren verminderen wrijving in het water en helpen de plant te drijven, terwijl een plakkerig gebied aan de uiteinden van de eierkloppers lichtjes aan het water kleeft, stabiliteit bieden.

Het is de combinatie van gladde en plakkerige oppervlakken die de textuur zo speciaal maakt, zei Bharat Bhushan, Ohio Eminent Scholar en de Howard D. Winbigler hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Ohio State.

"Het Salvinia-blad is een verbazingwekkende hybride structuur. De zijkanten van de haren zijn hydrofoob - van nature, ze zijn bedekt met was - die voorkomt dat water de bladeren raakt en lucht vasthoudt onder de eierklopper aan de bovenkant. De ingesloten lucht geeft de plant drijfvermogen, " hij zei.

"Maar de toppen van de haren zijn hydrofiel. Ze blijven maar een klein beetje aan het water plakken, waardoor de plant stabiel op het wateroppervlak blijft."

Dit is een optische microfoto van eierklopper-vormige haren op het bladoppervlak van de waterplant Salvinia molesta . De haren verminderen wrijving en helpen de plant om te blijven drijven. Ingenieurs van de Ohio State University hebben het oppervlak gerepliceerd in een plastic coating die de weerstand zou kunnen verminderen en het drijfvermogen van boten en onderzeeërs zou kunnen vergroten. Krediet:Afbeelding met dank aan de Ohio State University.

Bij testen, de coating presteerde net als de Salvinia-haren in de natuur. De basis van de haren waren glad, terwijl de punten van de haren plakkerig waren. Waterdruppels drongen niet tussen de haren door, maar klampte zich in plaats daarvan vast aan de bovenkant van de eierklopperstructuren - zelfs wanneer het coatingmonster op zijn kant werd gedraaid tot een verticale hoek van 90 graden.

Met commerciële ontwikkeling, de coating kan de weerstand verminderen en het drijfvermogen en de stabiliteit op boten en onderzeeërs vergroten, zei Bhushan.

Bhushan en masterstudent Jams Hunt vergeleken de plakkerigheid van hun plastic coating met de plakkerigheid van het natuurlijke Salvinia-blad met behulp van een atoomkrachtmicroscoop. De twee oppervlakken presteerden bijna identiek, waarbij de plastic coating een houdkracht genereert van 201 nanoNewton (miljardste van een Newton) en het blad 207 nanoNewton genereert.

Dat is een heel kleine kracht in vergelijking met bekende lijmen zoals transparante tape of zelfs masking tape. Maar de hechting is vergelijkbaar met die van een ander natuurlijk oppervlak dat door Bhushan en andere onderzoekers is bestudeerd:gekkopoten.

"Ik heb de gekkovoeten bestudeerd, die kleverig zijn, en het lotusblad, wat glad is, "Bhushan zei. "Salvinia combineert aspecten van beide."

Bhushan ontwikkelt biomimetische structuren - kunstmatige structuren die in het laboratorium zijn gemaakt om structuren na te bootsen die in de natuur worden aangetroffen. De gekkovoeten inspireerden hem om een ​​herpositioneerbare, "slimme" lijm, en het lotusblad inspireerde het idee van glas dat water en vuil afstoot.

Hij kwam Salvinia studeren via een collega in de Biological Sciences Greenhouse van de universiteit, die monsters van de plant voor het onderzoek heeft verstrekt.

Salvinia molesta, ook bekend als gigantische salvinia, komt oorspronkelijk uit Brazilië, en is een populaire plant voor huisaquaria en decoratieve vijvers over de hele wereld. Het heeft geen vuil nodig, maar leeft uitsluitend in het water - zelfs stromend water zoals rivieren en meren.

Op een gegeven moment, de stevige plant ontsnapte uit de huizen van mensen in het wild. Nu heeft het zich verspreid naar commerciële waterwegen in Noord-Amerika, Zuid-Amerika, en Australië, waar het een invasieve soort is geworden.

Hoewel de fabriek tegenwoordig hinderlijk is voor schepen, het zou uiteindelijk een voordeel kunnen opleveren als een commerciële coating op basis van zijn textuur beschikbaar zou komen. Bhushan heeft geen plannen om het zelf te commercialiseren, Hoewel.

"Met dit onderzoek we hebben diep inzicht gekregen in een heel eenvoudig concept [hoe het Salvinia-blad werkt]. Dat is waar het leuk is, "zei hij. "Bovendien, Ik ben al overgestapt op het bestuderen van haaienhuid."