Voor jaren, wetenschappers zijn geïnspireerd door de natuur om oplossingen te vinden voor lastige problemen, zelfs olierampen - door de mens veroorzaakte rampen met verwoestende ecologische en economische gevolgen. Een nieuwe USC-studie neemt een richtsnoer van bladstructuur om materiaal te fabriceren dat olie en water kan scheiden, die zouden kunnen leiden tot veiligere en efficiëntere methoden voor het opruimen van olievlekken.

In aanvulling, het materiaal is in staat tot "manipulatie van microdruppels, " of de overdracht van miniatuurvolumes vloeistof. Op druppeltjes gebaseerde microfluïdica is een hulpmiddel dat wordt gebruikt in verschillende toepassingen zoals celculturen, chemische synthese en DNA-sequencing.

Met behulp van 3D-printen, Universitair hoofddocent Yong Chen en zijn onderzoeksteam aan de Daniel J. Epstein School of Industrial and Systems Engineering aan de USC Viterbi School of Engineering hebben met succes een biologisch fenomeen in plantenbladeren nagebootst dat 'Salvinia-effect' wordt genoemd. Hun studie richt zich op een drijvende varen afkomstig uit Zuid-Amerika genaamd Salvinia molesta. De unieke bladeren zijn super hydrofoob, wat "watervrezend" betekent en een omringende luchtzak behoudt wanneer ondergedompeld in water vanwege de aanwezigheid van waterbestendige haren.

"Ik denk dat het oppervlak van de plant superhydrofoob is omdat het op het water leeft en lucht nodig heeft om te overleven. "Yang Yang, een postdoctoraal onderzoeker in het team van Chen, zei. "Als deze plant niet op de lange termijn zou evolueren, de plant zou in water kunnen worden ondergedompeld en zou sterven."

Waterafstotende structuur

Op microscopisch niveau, de bladharen zijn uitgelijnd in een structuur die lijkt op een eierklopper, of kookgarde. Chen legt uit dat het bladoppervlak van Salvinia bestaat uit deze zogenaamde "eierklopper" -structuur die superhydrofoob is.

Met behulp van een methode genaamd ondergedompelde oppervlakteaccumulatie 3D-printen (ISA-3D-printen), het onderzoeksteam creëerde met succes de microstructuur van de eierklopper in monsters gemaakt van plastic en koolstofnanobuisjes. Chen legt uit dat de methode het team in staat stelde om de fabricage aan te tonen van een materiaal met zowel superhydrofobe als olefiele (olie-absorberende) eigenschappen die, wanneer gecombineerd, capillaire krachten genereren die in staat zijn tot zeer efficiënte scheiding van olie en water.

"We hebben geprobeerd een functionele oppervlaktetextuur te creëren die olie van water zou kunnen scheiden, "Zei Chen. "Kortom, we hebben het oppervlak van de materialen aangepast door een 3D-printbenadering te gebruiken die ons heeft geholpen een aantal interessante oppervlakte-eigenschappen te bereiken."

Het team heeft een prototype in 3D geprint, daarbij verwijzend naar een groeiende vraag naar materialen die olie- en watermengsels efficiënt kunnen scheiden in uitgestrekte watermassa's. Eventueel, ze hopen dat de technologie kan worden toegepast om op grote schaal materialen te produceren om massale olielozingen in de oceaan op te vangen. De huidige methoden vereisen enorme energie in de vorm van een elektrisch veld of mechanisch uitgeoefende druk.

Microfluïdische toepassing

"Salvinia-effect" heeft ook potentieel voor vloeistofbehandelingstechnologie die "microdruppelmanipulatie" uitvoert - een doorbraak waarbij de hechting van vloeistof aan een robotarm dienovereenkomstig kan worden afgestemd en resulteert in een verliesvrije overdracht voor zeer kleine hoeveelheden vloeistof. De techniek kan op talloze manieren worden toegepast, waarvan sommige op druppeltjes gebaseerde microreactoren (apparaten die worden gebruikt bij chemische synthese), synthese van nanodeeltjes, weefsel engineering, drug discovery en drug delivery monitoring.

Xiangjia Li, een promovendus in het team van Chen en co-eerste auteur van de studie, zegt dat een voorbeeld van krachtige manipulatie van microdruppels zou kunnen leiden tot efficiëntere bloedanalyses voor patiënten. Een robotgrijper kan naar verschillende stations gaan en microdruppeltjes bloed afgeven die vervolgens gelijkmatig worden gemengd met verschillende chemicaliën voor verschillende tests. In aanvulling, de tests zouden kunnen worden ontworpen om de verhouding van chemische stof tot druppel te controleren en resulteren in een aanzienlijke besparing van bronmaterialen en chemische reagentia.

"Je kunt een robotarm hebben met een grijper die is gemaakt om het 'Salvinia-effect' na te bootsen, '" zei Li. "Het maakt niet uit op welke manier je de arm beweegt, de grijpkracht is zo groot dat een druppel eraan blijft zitten."

Onder leiding van Chen, het onderzoeksteam omvatte ook Yang, Li, Professor Qifa Zhou van de afdeling Biomedische Technologie, en afgestudeerde studenten Xuan Zheng en Zeyu Chen. Hun studie getiteld "3D-Printed Biomimetic Super-Hydrophobic Structure for Microdroplet Manipulation and Oil/Water Separation" is gepubliceerd in de Vol. 30, maart 2018 uitgave van Geavanceerde materialen .