De natuur heeft eeuwenlang gewerkt aan het perfectioneren van oppervlaktestructuren die beschermen, verstoppen en anderszins allerlei wezens helpen overleven.

Daar is de glanzende, lichtverstrooiende textuur van blauwe morpho vlindervleugels, de ruwe, weerstandverminderende textuur van haaienhuid en de kleverige, maar toch waterafstotende textuur van rozenblaadjes.

Maar hoe gebruik je die natuurlijke texturen en eigenschappen in de technische wereld? Kan de waterafstotende, ultrahydrofobe textuur van een lotusplant op de een of andere manier op een vliegtuigvleugel worden aangebracht als een middel tegen ijsvorming? Eerdere pogingen hadden betrekking op het vormen van polymeren en andere zachte materialen, of etspatronen op harde materialen die niet nauwkeurig waren en afhankelijk waren van dure apparatuur. Maar hoe zit het met het maken van goedkope, gegoten metalen biostructuren?

Martin Thuo van de Iowa State University en de studenten in zijn onderzoeksgroep hebben een manier gevonden in hun streven naar "zuinige wetenschap/innovatie, " wat hij beschrijft als "het vermogen om kosten en complexiteit te minimaliseren en tegelijkertijd efficiënte oplossingen te bieden om de menselijke omstandigheden te verbeteren."

Voor dit project, ze nemen hun eerdere ontwikkeling van vloeibare metaaldeeltjes en gebruiken deze om perfect gevormde metalen versies van natuurlijke oppervlakken te maken, waaronder een rozenblaadje. Ze kunnen het zonder hitte of druk, en zonder een bloemblad te beschadigen.

Ze beschrijven de technologie die ze BIOMAP noemen in een paper die onlangs online is gepubliceerd door Angewandte Chemie , een tijdschrift van de Duitse Chemische Vereniging. Do, een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek met een beleefdheidsaanstelling in elektrotechniek en computertechniek, is de corresponderende auteur. Co-auteurs zijn allemaal Iowa State-studenten in materiaalkunde en techniek:Julia Chang, Andrew Martin en Chuanshen Du, doctoraatsstudenten; en Alana Pauls, Een undergraduate.

Iowa State steunde het project met intellectuele eigendomsrechten die door Thuo werden gegenereerd.

"Dit project komt voort uit een observatie dat de natuur veel mooie dingen heeft die ze doet, ' zei Thuo. 'De lotusplant, bijvoorbeeld, leeft in water maar wordt niet nat. We houden van die structuren, maar we hebben ze alleen kunnen nabootsen met zachte materialen, we wilden metaal gebruiken."

Sleutel tot de technologie zijn microschaaldeeltjes van ondergekoeld vloeibaar metaal, oorspronkelijk ontwikkeld voor hittevrij solderen. De deeltjes ontstaan ​​wanneer kleine druppeltjes metaal (in dit geval Field's metaal, een legering van bismut, indium en tin), worden blootgesteld aan zuurstof en bedekt met een oxidatielaag, het metaal binnenin in vloeibare toestand opsluitend, zelfs bij kamertemperatuur.

Het BIOMAP-proces maakt gebruik van deeltjes van verschillende groottes, allemaal slechts een paar miljoenste van een meter in diameter. De deeltjes worden op een oppervlak aangebracht, het bedekken en nauwsluitend alle spleten, hiaten en patronen door de autonome processen van zelffiltratie, capillaire druk en verdamping.

Een chemische trigger verbindt en stolt de deeltjes aan elkaar en niet aan het oppervlak. Dat maakt het mogelijk om solide metalen replica's op te tillen, het creëren van een negatief reliëf van de oppervlaktestructuur. Positieve reliëfs kunnen worden gemaakt door de inverse replica te gebruiken om een ​​mal te maken en vervolgens het BIOMAP-proces te herhalen.

"Je tilt het op, het ziet er precies hetzelfde uit, "Tou zei, opmerkend dat de ingenieurs verschillende cultivars of rozen konden identificeren door subtiele verschillen in de metalen replica's van hun texturen.

belangrijk, de replica's behielden de fysieke eigenschappen van de oppervlakken, net als bij zachte lithografie op elastomeerbasis.

"De metalen structuur behoudt die ultrahydrofobe eigenschappen - precies zoals een lotusplant of een rozenblaadje, ' zei Thuo. 'Doe een druppel water op een metalen rozenblaadje, en de druppel blijft plakken, maar op een metalen lotusblad vloeit het gewoon weg."

Die eigenschappen zouden kunnen worden toegepast op vliegtuigvleugels voor een betere ijsbestrijding of om de warmteoverdracht in airconditioningsystemen te verbeteren, zei Thuo.

Dat is hoe een beetje zuinige innovatie "de delicate structuren van een rozenblaadje kan vormen tot een solide metalen structuur, " zei Thuo. "Dit is een methode waarvan we hopen dat deze zal leiden tot nieuwe benaderingen voor het maken van metalen oppervlakken die hydrofoob zijn op basis van de structuur en niet de coatings op het metaal."