Met 3,5 miljard jaar onderzoek en ontwikkeling onder haar riem, Moeder Natuur kan worden beschouwd als 's werelds meest ervaren biologische ingenieur. Zeker wel, haar methoden kunnen soms lukraak lijken, maar haar staat van dienst in het ontwikkelen van organismen die uitstekend zijn aangepast aan de taken die van hen worden vereist, is ronduit verbazingwekkend.

Een taak waar ze zich bijzonder aan heeft toegewijd, is manieren vinden om haar creaties schoon te houden van puin en verontreinigingen. Het is daarom niet verwonderlijk dat de ingenieurs van vandaag naar de natuur kijken voor inspiratie als het gaat om het omgaan met "biofouling, " of de ongewenste ophoping van biologisch materiaal, die een breed scala van industrieën plaagt.

Een recent onderzoek uitgevoerd door onderzoekers van de Ohio State University heeft uitgewezen dat rijstbladeren en vlindervleugels gebruik maken van een aantal unieke oppervlaktekenmerken die zelfreiniging bevorderen. De onderzoekers zijn van mening dat het opnemen van sommige van deze kenmerken in door de mens gemaakte producten de sleutel kan zijn om problemen in verband met biofouling aan te pakken.

"De levende natuur zit vol technische wonderen, van de micro- tot de macroschaal, die de mensheid eeuwenlang hebben geïnspireerd, " zegt Bharat Bhushan, senior auteur van de studie en directeur van het Nanoprobe Laboratory for Bio- and Nanotechnology and Biomimetics aan de Ohio State University.

Overwegen, bijvoorbeeld, dat terwijl een schip verzandt door zeepokken terwijl het de oceaan oversteekt, een haai die in dezelfde oceaan zwemt, blijft zo schoon als een fluitje. Een reden hiervoor is dat de haaienhuid is samengesteld uit een speciaal type schubben bedekt met ribbels die wrijving verminderen terwijl de haai door het water reist. Verminderde wrijving betekent dat water sneller over het oppervlak stroomt, waardoor het voor microscopisch kleine lifters moeilijk is om vast te grijpen. Dit fenomeen wordt het haaienhuideffect genoemd. Het lotusblad, anderzijds, behoudt zijn piepende reinheid met een wasachtige oppervlaktestructuur die water afstoot, een eigenschap die superhydrofobiciteit wordt genoemd. Gecombineerd met een lage hechting, dit staat bekend als het lotuseffect.

De studie van september 2012, gepubliceerd in het tijdschrift Zachte materie door Bhushan en afgestudeerde technische student Greg Bixler, laat zien dat rijstbladeren en vlindervleugels de lage weerstand van haaienhuid combineren met de superhydrofobiciteit van het lotusblad, waardoor deze oppervlakken bovenaan de lijst van door de natuur gemaakte zelfreinigers staan.

Het idee om naar rijstbladeren en vlindervleugels te kijken, kwam bij de onderzoekers door het observeren van deze structuren in hun natuurlijke habitat.

"We merkten dat waterdruppels op rijstbladeren en vlindervleugels moeiteloos wegrollen, en dat elk schoon blijft in hun respectieve omgeving, " zegt Bhushan.

Deze observatie deed de onderzoekers vermoeden dat, zoals haaienhuid en lotusbladeren, rijstbladeren en vlindervleugels hebben bijzondere eigenschappen waardoor ze bijzonder goed bestand zijn tegen aangroei.

Voordat ze konden beginnen, ze moesten het feit aanpakken dat beide structuren ongelooflijk delicaat zijn, waardoor ze moeilijk zijn om mee te werken in een experimentele setting. Om deze reden, ze begonnen met het maken van replica's van beide oppervlakken. Siliconen werden over echte bladeren en vleugels gegoten, door een "negatieve" mal te maken die ze vervolgens gebruikten om een ​​urethaanreplica te maken die beter geschikt was voor de strenge tests die de onderzoekers in gedachten hadden. Sommige replica's kregen ook een silica-coating om de superhydrofobe eigenschappen van de natuurlijke structuren na te bootsen.

Vervolgens onderwierpen ze de replica's aan experimenten die waren ontworpen om te bepalen hoe efficiënt ze door de lucht bewogen (slepen), hoe goed ze verontreinigingen hebben verwijderd (zelfreinigend), hoe strak verontreinigingen aan het oppervlak kleven (adhesie), en hoe goed ze water vasthouden of afstoten (bevochtigbaarheid). Als haaienhuid, rijstbladeren en vlindervleugels vertoonden lage weerstand en zelfreinigende eigenschappen. Maar beide monsters waren op een belangrijke manier speciaal:ze vertoonden lotusachtige eigenschappen, waaronder superhydrofobiciteit en lage hechting. Dit effect werd vergroot in gecoate monsters, die in elke test beter presteerde dan ongecoate monsters.

Bixler schrijft deze bevindingen toe aan de unieke structuur van elk oppervlak.

"Zowel rijstbladeren als vlindervleugels bevatten micro- en nano-achtige kenmerken die water afstoten en in één richting sturen, ", zegt Bixler. "Dit wordt bereikt met een combinatie van groeven en bulten die onzichtbaar zijn voor het blote oog."

Door aan te tonen dat rijstbladeren en vlindervleugels de aangroeiwerende eigenschappen van enkele van de beste zelfreinigers van de natuur combineren, Bhushan en Bixler hebben nieuwe oppervlakken geïdentificeerd die kunnen worden gebruikt als technische inspiratie voor een breed scala aan industrieën die worden geplaagd door biofouling. Voorkomen van de ophoping van biologisch materiaal op de scheepsromp, bijvoorbeeld, kan de efficiëntie van de scheepsbewegingen verhogen, uiteindelijk leidend tot een efficiënter brandstofverbruik. Ook, het verminderen van de ophoping van bacteriën en andere microben in medische slangen zou het risico op infectie van een patiënt aanzienlijk kunnen verminderen.

"We onderzoeken methoden om op rijstbladeren en vlindervleugels geïnspireerde films te fabriceren voor toepassingen die een lage weerstand vereisen, zelfreinigend en antifouling, ", zegt Bhushan. De onderzoekers hopen dat het gebruik van dergelijke films in verschillende industrieën, inclusief gezondheidszorg, verzending en geavanceerde productie, zal de kosten verlagen en de kwaliteit verbeteren.