Een Zuid-Amerikaanse vlinder klapperde met zijn vleugels, en veroorzaakte een vlaag van nanotechnologisch onderzoek in Ohio. Onderzoekers hier hebben een nieuwe kijk op vlindervleugels en rijstbladeren, en leerde dingen over hun microscopische textuur die een verscheidenheid aan producten zouden kunnen verbeteren.

Bijvoorbeeld, de onderzoekers waren in staat om tot 85 procent van het stof op te ruimen van een gecoat plastic oppervlak dat de textuur van een vlindervleugel nabootste, vergeleken met slechts 70 procent van een plat oppervlak.

In een recent nummer van het tijdschrift Zachte materie , de ingenieurs van de Ohio State University melden dat de texturen de vloeistofstroom verbeteren en voorkomen dat oppervlakken vuil worden - eigenschappen die kunnen worden nagebootst in hightech oppervlakken voor vliegtuigen en waterscooters, pijpleidingen, en medische apparatuur.

"De natuur heeft veel oppervlakken ontwikkeld die zelfreinigend zijn of de weerstand verminderen, " zei Bharat Bhushan, Ohio Eminent Scholar en Howard D. Winbigler hoogleraar werktuigbouwkunde aan de staat Ohio. "Een verminderde weerstand is wenselijk voor de industrie, of je nu een paar druppels bloed door een nanokanaal probeert te pompen of miljoenen liters ruwe olie door een pijpleiding. En zelfreinigende oppervlakken zouden nuttig zijn voor medische apparatuur – katheters, of iets dat bacteriën kan bevatten."

Bhushan en promovendus Gregory Bixler gebruikten een elektronenmicroscoop en een optische profiler om de vleugels van de Giant Blue Morpho-vlinder (Morpho didius) en bladeren van de rijstplant Oriza sativa te bestuderen. Ze wierpen plastic replica's van beide microscopisch kleine texturen, en vergeleken hun vermogen om vuil en water af te weren met replica's van vissenschubben, haaien huid, en effen vlakke oppervlakken.

Gemeenschappelijk voor Midden- en Zuid-Amerika, de Blue Morpho is een iconische vlinder, gewaardeerd om zijn briljante blauwe kleur en irisatie. Voorbij zijn schoonheid, het heeft het vermogen om vuil en water af te werpen met het fladderen van zijn vleugels.

Voor een vlinder in de natuur, schoon blijven is een kritieke kwestie, Bhushan uitgelegd.

"Hun vleugels zijn zo delicaat dat het moeilijk is om te vliegen als er vuil of vocht op komt. "zei hij. "Bovendien, mannetjes en vrouwtjes herkennen elkaar aan de kleur en patronen op hun vleugels, en elke soort is uniek. Dus moeten ze hun vleugels helder en zichtbaar houden om zich voort te planten."

De elektronenmicroscoop onthulde dat de vleugels van de Blue Morpho niet zo glad zijn als ze met het blote oog lijken. In plaats daarvan, de oppervlaktestructuur lijkt op een dakspaan met rijen overlappende dakspanen die uitstralen vanuit het lichaam van de vlinder, wat suggereert dat water en vuil van de vleugels rollen "als water van een dak, ' zei Bhushan.

De rijstbladeren zorgden voor een meer surrealistisch landschap onder de microscoop, met rijen micrometer- (miljoensten van een meter) groeven, elk bedekt met nog kleinere, nanometer- (miljardsten van een meter) bultjes - allemaal onder een hoek om regendruppels naar de stengel en naar de basis van de plant te leiden. Het blad had ook een gladde wasachtige laag, waardoor de waterdruppels blijven stromen.

The researchers wanted to test how butterfly wings and rice leaves might display some of the characteristics of other surfaces they've studied, such as shark skin, which is covered with slippery, microscopic grooves that cause water to flow smoothly around the shark. They also tested fish scales, and included non-textured flat surfaces for comparison.

After studying all the textures close up, the researchers made molds of them in silicone and cast plastic replicas. To emulate the waxy coating on the rice leaves and the slippery coating on shark skin (which in nature is actually mucous), they covered all the surfaces with a special coating consisting of nanoparticles.

In one test, they lined plastic pipes with the different coated textures and pushed water through them. The resulting water pressure drop in the pipe was an indication of fluid flow.

For a pipe about the size of a cocktail straw, a thin lining of shark skin texture coated with nanoparticles reduced water pressure drop by 29 percent compared to the non-coated surface. The coated rice leaf came in second, with 26 percent, and the butterfly wing came in third with around 15 percent.

Then they dusted the textures with silicon carbide powder – a common industrial powder that resembles natural dirt – and tested how easy the surfaces were to clean. They held the samples at a 45-degree angle and dripped water over them from a syringe for two minutes, so that about two tablespoons of water washed over them in total. Using software, they counted the number of silicon carbide particles on each texture before and after washing.

The shark skin came out the cleanest, with 98 percent of the particles washing off during the test. Next came the rice leaf, with 95 percent, and the butterfly wing with about 85 percent washing off. Ter vergelijking, only 70 percent washed off of the flat surface.

Bushan thinks that the rice leaf texture might be especially suited to helping fluid move more efficiently through pipes, such as channels in micro-devices or oil pipelines.

As to the Blue Morpho's beautiful wings, their ability to keep the butterfly clean and dry suggests to him that the clapboard roof texture might suit medical equipment, where it could prevent the growth of bacteria.