Na een regenbui, het komvormige blad van een bekerplant wordt een vrijwel wrijvingsloos oppervlak. Zoetgeurend en elegant, de vleeseter trekt mieren aan, spinnen, en zelfs kleine kikkers. Een voor een, ze glijden naar hun ondergang.

De gelikte strategie van de plant aannemen, een groep toegepaste wetenschappers van Harvard heeft een materiaal gemaakt dat zowat elk type vloeistof afstoot, inclusief bloed en olie, en doet dat zelfs onder zware omstandigheden zoals hoge druk en vriestemperaturen.

De bio-geïnspireerde vloeistofafstotende technologie, beschreven in het nummer van 22 september van Natuur , zou toepassingen moeten vinden in de behandeling van biomedische vloeistoffen, brandstof transport, en anti-fouling en anti-icing technologieën. Het kan zelfs leiden tot zelfreinigende ramen en verbeterde optische apparaten.

"Geïnspireerd door de bekerplant, we hebben een nieuwe coating ontwikkeld die beter presteert dan zijn natuurlijke en synthetische tegenhangers en een eenvoudige en veelzijdige oplossing biedt voor het afstoten van vloeistoffen en vaste stoffen, " zegt hoofdauteur Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson hoogleraar materiaalkunde aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Directeur van het Kavli Institute for Bionano Science and Technology aan Harvard, en een lid van de kernfaculteit van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan Harvard.

Daarentegen, de huidige ultramoderne vloeistofafstotende oppervlakken hebben signalen overgenomen van een ander lid van de plantenwereld. De bladeren van de lotus zijn bestand tegen water vanwege de kleine microtexturen op het oppervlak; druppels balanceren op het luchtkussen op de uiteinden van het oppervlak en parelen op.

Het zogenaamde lotuseffect, echter, werkt niet goed voor organische of complexe vloeistoffen. Bovendien, als het oppervlak beschadigd is (bijv. bekrast) of onderhevig aan extreme omstandigheden, vloeibare druppels hebben de neiging om aan de texturen te kleven of weg te zinken in plaats van weg te rollen. Eindelijk, het is duur en moeilijk gebleken om oppervlakken te vervaardigen op basis van de lotusstrategie.

De bekerplant pakt het fundamenteel anders aan. In plaats van braamachtige, met lucht gevulde nanostructuren om water af te stoten, de plant sluit zich op in een waterlaag, het creëren van een gladde coating op de bovenkant. Kortom, de vloeistof zelf wordt het afstotende oppervlak.

"Het effect is vergelijkbaar met wanneer een auto watervliegtuigen, de banden glijden letterlijk over het water in plaats van over de weg, " zegt hoofdauteur Tak-Sing Wong, een postdoctoraal onderzoeker in het Aizenberg-lab. "In het geval van de ongelukkige mieren, de olie op de onderkant van hun pootjes blijft niet plakken aan de gladde laag op de plant. Het is als olie die op het oppervlak van een plas drijft."

Geïnspireerd door de elegante oplossing van de bekerplant, de wetenschappers ontwierpen een strategie om gladde oppervlakken te creëren door een nano/microgestructureerd poreus materiaal te infuseren met een smerende vloeistof. Ze noemen de resulterende bio-geïnspireerde oppervlakken "SLIPS" (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces).

"Zoals de bekerplant, SLIPS zijn glad voor insecten, maar ze zijn nu ontworpen om veel meer te doen:ze stoten een grote verscheidenheid aan vloeistoffen en vaste stoffen af, ", zegt Aizenberg. SLIPS vertonen vrijwel geen retentie, omdat er heel weinig kanteling nodig is om de vloeistof of vaste stof over te halen om naar beneden en van het oppervlak te glijden.

"Het afstotende vloeistofoppervlak biedt extra voordelen, omdat het intrinsiek glad en vrij van defecten is, "zegt Wong. "Zelfs nadat we een monster hebben beschadigd door het met een mes of mes te schrapen, het oppervlak herstelt zich vrijwel onmiddellijk en de afstotende eigenschappen blijven behouden, SLIPS zelfgenezend makend." In tegenstelling tot de lotus, de SLIPS kan optisch transparant gemaakt worden, en daarom ideaal voor optische toepassingen en zelfreinigend, heldere oppervlakken.

In aanvulling, het bijna wrijvingsloze effect houdt aan onder extreme omstandigheden:hoge drukken (tot 675 atmosfeer, gelijk aan zeven kilometer onder de zee) en vochtigheid, en bij koudere temperaturen. Het team deed buiten onderzoek na een sneeuwstorm; SLIPS doorstond de vriestemperaturen en stootte zelfs ijs af.

"Ons bio-geïnspireerde oppervlak kan niet alleen in verschillende omstandigheden werken, maar het is ook eenvoudig en goedkoop te vervaardigen, " zegt co-auteur Sung Hoon Kang, een doctoraat kandidaat in het Aizenberg-lab. "Het is gemakkelijk schaalbaar omdat je zowat elk poreus materiaal en een verscheidenheid aan vloeistoffen kunt kiezen."

Om te zien of het oppervlak echt aan de hoge eisen van de natuur voldeed, ze deden zelfs een paar experimenten met mieren. Bij testen, de insecten gleden van het kunstmatige oppervlak of trokken zich na slechts een paar moeizame stappen terug op veiliger grond.

De onderzoekers verwachten dat de door de bekerplant geïnspireerde technologie, waarvoor zij een octrooi aanvragen, ooit gebruikt kunnen worden voor brandstof- en watertransportleidingen, en medische slangen (zoals katheters en bloedtransfusiesystemen), die gevoelig zijn voor weerstand en druk en worden aangetast door ongewenste interacties tussen het vloeistofoppervlak. Andere mogelijke toepassingen zijn onder meer zelfreinigende ramen en oppervlakken die bestand zijn tegen bacteriën en andere soorten vervuiling (zoals de ophoping die zich op scheepsrompen vormt). Het voorschot kan ook worden toegepast in ijsbestendige materialen en kan leiden tot antikleefoppervlakken die vingerafdrukken of graffiti afstoten.

"De veelzijdigheid van SLIPS, hun robuustheid en unieke vermogen om zichzelf te herstellen maakt het mogelijk om deze oppervlakken te ontwerpen voor bijna overal gebruik, zelfs onder extreme temperatuur- en drukomstandigheden, ", zegt Aizenberg. "Het opent potentieel toepassingen in ruwe omgevingen, zoals polaire of diepzee-exploratie, waarvoor momenteel geen bevredigende oplossingen bestaan. Alles SLIP!"