Door het onderzoek van insectenoppervlakken, Penn State-onderzoekers hebben een voorheen niet-geïdentificeerde nanostructuur gedetailleerd die kan worden gebruikt om sterkere, veerkrachtiger waterafstotende coatings.

De resultaten van dit onderzoek zijn vandaag (17 juli) gepubliceerd in Vooruitgang in de wetenschap.

Met een verbeterd vermogen om druppels af te weren, dit ontwerp zou kunnen worden toegepast op persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) om beter bestand te zijn tegen virusdeeltjes, zoals COVID-19, onder andere toepassingen.

"De afgelopen decennia hebben conventioneel ontworpen waterafstotende oppervlakken zijn meestal gebaseerd op planten, zoals lotusbladeren, " zei Lin Wang, een doctoraalstudent bij de afdeling Materials Science and Engineering aan Penn State en de hoofdauteur van het artikel.

Klassieke technische theorieën hebben deze benadering gebruikt om superhydrofobe, of waterafstotend, oppervlakken. traditioneel, ze zijn vervaardigd met texturen met een lage vaste fractie, die een extreem dunne luchtlaag boven een lage dichtheid van microscopische, haarachtige nanostructuren, die de onderzoekers vergelijken met een airhockeytafel.

"De redenering is dat als de druppel of het object bovenop die lucht zweeft, het zal niet aan de oppervlakte blijven plakken, " zei Tak-Sing Wong, de Wormley Early Career Professor of Engineering, universitair hoofddocent mechanische en biomedische technologie en adviseur van Wang.

Omdat het effectief werkt, door de mens gemaakte coatings hebben de neiging om de lage dichtheid van deze nanostructuren na te bootsen.

Echter, dit document beschrijft een geheel andere benadering. Bij het onderzoeken van oppervlakken zoals het oog van een mug, lichaam van een springstaart of de vleugel van een cicade onder hoge resolutie elektronenmicroscopen, Wang ontdekte dat de nanoscopische haren op die oppervlakken dichter opeengepakt zijn, in de techniek aangeduid als texturen met een hoge vaste fractie. Bij verdere verkenning, deze significante afwijking van de structuur van planten kan extra waterafstotende voordelen opleveren.

"Stel je voor dat je een hoge dichtheid van deze nanostructuren op een oppervlak zou hebben, " zei Wang. "Het zou mogelijk kunnen zijn om de stabiliteit van de luchtlaag te behouden door hogere impactkrachten."

Dit zou ook kunnen betekenen dat de dichter opeengepakte structuren in staat zijn om vloeistof af te stoten die met een hogere snelheid beweegt, zoals regendruppels.

Hoewel het ontwerpconcept nieuw is voor de mens, de onderzoekers theoretiseren dat deze nanostructuur de veerkracht van het insect in zijn natuurlijke omgeving verhoogt.

"Voor deze insectenoppervlakken, het afstoten van waterdruppels is een kwestie van leven en dood. De impactkracht van regendruppels is voldoende om ze op de grond te dragen en te doden, " zei Wang. "Dus, het is echt belangrijk dat ze droog blijven, en we ontdekten hoe."

Met deze kennis uit de natuur, de onderzoekers hopen dit ontwerpprincipe toe te passen om de volgende generatie coatings te creëren. Door een waterafstotend oppervlak te ontwikkelen dat bestand is tegen sneller bewegende en hogere impactdruppels, de toepassingen zijn legio.

Van klein, vliegende robotvoertuigen, zoals de drones waarmee Amazon pakketten hoopt te bezorgen, voor commerciële vliegtuigen, een coating die deze insectenoppervlakken kan nabootsen, zou voor meer efficiëntie en veiligheid kunnen zorgen.

Echter, in het licht van de COVID-19-pandemie, onderzoekers hebben zich sindsdien gerealiseerd dat deze kennis een extra impact op de menselijke gezondheid zou kunnen hebben.

"Wij hopen, wanneer ontwikkeld, deze coating zou kunnen worden gebruikt voor PBM. Bijvoorbeeld, als iemand niest rond een gezichtsscherm, dat zijn druppeltjes met hoge snelheid. Met een traditionele coating, die deeltjes kunnen aan het oppervlak van de PBM blijven plakken, " zei Wong. "Echter, als de ontwerpprincipes die in dit document worden beschreven met succes zijn overgenomen, het zou het vermogen hebben om die druppeltjes veel beter af te weren en mogelijk het oppervlak kiemvrij te houden."

Zoals te zien is in dit werk, het Wong Laboratory for Nature Inspired Engineering haalt inzichten uit biologische fenomenen om de innovaties van de mensheid beter en effectiever te maken.

"Hoewel we die toepassing aan het begin van dit project niet hadden bedacht, COVID-19 deed ons nadenken over hoe we dit ontwerpprincipe kunnen gebruiken om meer mensen te helpen, "Zei Wong. "Het is aan ons als ingenieurs om deze ontdekkingen te nemen en ze op een zinvolle manier toe te passen."

De volgende stap voor dit werk is het ontwikkelen van een grootschalige, kosteneffectieve methode die een coating kan vervaardigen om deze eigenschappen na te bootsen.

"Vroeger, we hadden geen effectief oppervlak dat waterdruppels met hoge snelheid kon afstoten, ' zei Wong. 'Maar de insecten vertelden ons hoe. Er zijn zoveel voorbeelden zoals deze in de natuur; we moeten gewoon van ze leren."