Sommige insectenlichamen hebben het vermogen ontwikkeld om water en olie af te weren, hechten aan verschillende oppervlakken, en lichtreflecties te elimineren. Wetenschappers hebben de fysieke mechanismen bestudeerd die ten grondslag liggen aan deze opmerkelijke eigenschappen in de natuur en hebben ze nagebootst om materialen te ontwerpen voor gebruik in het dagelijks leven.

Een aantal jaar geleden, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een oppervlaktetextuurmethode op nanoschaal ontwikkeld om materialen volledig waterafstotend te maken - een eigenschap die is geïnspireerd op exoskeletten van insecten met kleine haartjes die zijn ontworpen om water af te stoten door lucht op te sluiten. Hun methode maakt gebruik van het vermogen van materialen die blokcopolymeren worden genoemd (ketens van twee verschillende moleculen die aan elkaar zijn gekoppeld) om zichzelf te assembleren tot geordende patronen met afmetingen van slechts tientallen nanometers groot. De wetenschappers gebruikten deze zelf-geassembleerde patronen om texturen op nanoschaal te creëren in een verscheidenheid aan anorganische materialen, inclusief silicium, glas, en wat plastic. aanvankelijk, ze bestudeerden hoe het veranderen van de vorm van de texturen van cilindrisch naar conisch beïnvloede materialen het vermogen om water af te stoten. Kegelvormige nanotexturen bleken veel beter in het dwingen van waterdruppels om eraf te rollen, het afvoeren van vuildeeltjes en het volledig droog achterlaten van oppervlakken.

Nutsvoorzieningen, werken met collega's in Frankrijk - van ESPCI Paris Tech, École Polytechnique, en de Thales Group - ze hebben verder aangetoond dat de geoptimaliseerde nanotexturen uitstekende anticondenseigenschappen hebben, zoals beschreven in een artikel dat online is gepubliceerd in het nummer van 27 februari van Natuurmaterialen . Onder leiding van David Quéré van ESPCI en École Polytechnique, het onderzoek biedt een fundamenteel inzicht dat nieuwe ontwerpen voor condensatiespoelen van stoomturbinestroomgeneratoren kan informeren, auto- en vliegtuigwindschermen, en andere materialen die gevoelig zijn voor beslaan.

"Veel getextureerde materialen kunnen water afstoten, met millimetergrote waterdruppels die van hun oppervlak weerkaatsen, maar veel van deze oppervlakken falen wanneer ze worden blootgesteld aan mistige of vochtige omstandigheden, " zei Charles Zwart, directeur van Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), de DOE Office of Science User Facility waar Black en voormalig natuurkundige Antonio Checco van Brookhaven's Condensed Matter Physics and Materials Science Department en voormalig CFN postdoctoraal onderzoeksmedewerker Atikur Rahman de nanotexturen fabriceerden.

Mist vormt zich als het warm is, vochtige lucht raakt een koeler oppervlak (zoals een raam of voorruit) en vormt waterdruppels - een proces dat condensatie wordt genoemd. Wanneer waterdruppels qua grootte vergelijkbaar zijn met de structurele kenmerken van een gestructureerd, hydrofoob ("waterhatend") oppervlak, ze kunnen binnenkomen en groeien binnen de textuur, in plaats van bovenaan te blijven. Zodra de textuur vol raakt, water dat op het materiaal landt, blijft steken, waardoor er mist ontstaat.

Wetenschappers hebben eerder opgemerkt dat de vleugels van krekels, die zijn bedekt met kegelvormige texturen van nanoformaat, hebben het vermogen om mist af te weren door ervoor te zorgen dat waterdruppels spontaan van hun oppervlak springen - een fenomeen dat wordt veroorzaakt door de efficiënte omzetting van oppervlakte-energie in kinetische energie wanneer twee druppels worden gecombineerd. Gemotiveerd door dit voorbeeld uit de natuur, het team onderzocht hoe het verminderen van de textuurgrootte en het veranderen van de textuurvorm het anticondensvermogen van een modeloppervlak beïnvloedt.

Om mistomstandigheden te simuleren, de wetenschappers verwarmden water en maten de adhesiekracht terwijl warme waterdruppels afkoelden bij contact met de nanogestructureerde oppervlakken. Deze metingen lieten zien dat de druppeladhesie significant werd beïnvloed door het type nanotextuur van het oppervlak, met warme druppels die sterk hechten aan die met grote texturen en nauwelijks aan oppervlakken met de kleinste.

"Texturen met de kleinste kenmerken en de juiste vorm - in dit geval conisch - bestand tegen beslaan omdat condenserende waterdruppels te groot zijn om door de textuur te dringen. De druppels blijven bovenop, in wezen drijvend op het luchtkussen dat eronder zit, ' zei Zwart.

De wetenschappers gebruikten vervolgens een optische microscoop die was aangesloten op een videocamera met hoge resolutie om druppelcondensatie op verschillende texturen tijdens dauwvorming te bekijken, wanneer atmosferisch vocht sneller condenseert dan het verdampt. Hoewel alle texturen aanvankelijk worden bedekt door grote aantallen microdruppels, na verloop van tijd worden texturen met een cilindrische vorm bedekt met water, terwijl degenen met een conische vorm spontaan uitdrogen. Conisch gevormde texturen zijn bestand tegen dauwvorming omdat de waterdruppels zo licht aan het oppervlak zijn gehecht dat wanneer twee druppels samenkomen, ze krijgen genoeg energie om spontaan van het oppervlak te springen, vergelijkbaar met het mechanisme dat wordt waargenomen in cicadevleugels.

"Dit werk vertegenwoordigt de uitstekende, multiplicatieve kracht van DOE-gebruikersfaciliteiten. In dit geval, De eerste samenwerking van CFN met een gebruiker van een van de afdelingen van Brookhaven leidde tot een nieuwe internationale verbinding met verschillende gebruikers, die de studie van hydrofobe oppervlakken in nieuwe richtingen bracht, ' zei Zwart.