In de Namib-woestijn van Afrika, de met mist gevulde ochtendwind draagt ​​het drinkwater voor een kever genaamd de Stenocara.

Kleine druppeltjes verzamelen zich op de hobbelige rug van de kever. De gebieden tussen de bultjes zijn bedekt met een wasachtige substantie waardoor ze waterafstotend zijn, of hydrofoob (watervrezend). Water hoopt zich op op de waterminnende, of hydrofiel, Drempels, druppels vormen die uiteindelijk te groot worden om te blijven zitten, rol vervolgens het wasachtige oppervlak naar beneden.

De kever lest zijn dorst door zijn rug naar boven te kantelen en te nippen aan de opgehoopte druppels die in zijn mond vallen. ongelooflijk, de kever verzamelt via deze methode voldoende water om elke dag 12 procent van zijn lichaamsgewicht te drinken.

Meer dan een decennium geleden, nieuws over het efficiënte wateropvangsysteem van dit wezen inspireerde ingenieurs om te proberen deze oppervlakken in het laboratorium te reproduceren.

Kleinschalige vooruitgang in de vloeistoffysica, materiaaltechnologie en nanowetenschap hebben ze sindsdien bijna succesvol gemaakt.

Deze kleine ontwikkelingen, echter, het vooruitzicht hebben om tot veranderingen op macroschaal te leiden. Begrijpen hoe vloeistoffen interageren met verschillende materialen kan leiden tot efficiëntere, goedkope processen en producten, en kan zelfs leiden tot vliegtuigvleugels die ongevoelig zijn voor ijs en zelfreinigende ramen.

Keverbulten in het lab

Met behulp van verschillende methoden om oppervlakken met ingewikkelde patronen te maken, ingenieurs kunnen materialen maken die de rug van de kever nauw nabootsen.

"Tien jaar geleden had niemand het vermogen om oppervlakken zoals deze op nanoschaal te modelleren, " zegt Sumanta Acharya, een programmadirecteur van de National Science Foundation (NSF). "We hebben tientallen jaren van nature hydrofobe oppervlakken zoals het lotusblad waargenomen. Maar zelfs als we het begrepen, wat zouden we eraan kunnen doen?"

Wat onderzoekers hebben gedaan, is oppervlakken creëren die zo uitblinken in het afstoten of aantrekken van water dat ze een "super" vooraan in hun beschrijving hebben toegevoegd:superhydrofoob of superhydrofiel.

Veel superhydrofobe oppervlakken die door chemische coatings worden gecreëerd, zijn al op de markt (waterafstotende schoenen! overhemden! iPhones!).

Echter, veel onderzoekers richten zich op materialen met fysieke elementen die ze superhydrofoob maken.

Deze materialen hebben pilaren van micro- of nanoformaat, palen of andere structuren die de hoeken veranderen waaronder waterdruppels in contact komen met hun oppervlak. Deze contacthoeken bepalen of een waterdruppel parelt als een piepkleine kristallen bol of een beetje ontspant en op het oppervlak rust als een gemorste milkshake.

Door de indeling van deze oppervlakken te variëren, onderzoekers kunnen nu vangen, leiden en afstoten van kleine hoeveelheden water voor verschillende nieuwe doeleinden.

"We kunnen nu dingen doen met vloeistoffen die we ons eerder alleen maar konden voorstellen, ", zegt werktuigbouwkundig ingenieur Constantine Megaridis van de Universiteit van Illinois in Chicago. Megaridis en zijn team hebben twee NSF-beurzen ontvangen van de afdeling Chemie van het Engineering Directorate, Bio-engineering, Milieu- en transportsystemen.

"De ontwikkelingen hebben ons in staat gesteld om apparaten te maken - apparaten met het potentieel om de mensheid te helpen - die dingen veel beter doen dan ooit tevoren, " hij zegt.

Megaridis heeft zijn op kever geïnspireerde ontwerpen gebruikt om precieze, structuurpatronen op goedkope materialen, microfluïdische circuits maken.

Plastic strips met superhydrofiele centra en superhydrofobe omgevingen die vloeistoffen combineren of scheiden, kunnen dienen als platform voor diagnostische tests (zie "The ride of the water droplets").

"Stel je voor dat je druppels bloed of water of een vloeistof naar een bepaalde locatie wilt brengen, " legt Megaridis uit. "Net als een snelweg, de weg is de strook voor de vloeistof om naar beneden te reizen, en het komt terecht in een vloeistofopslagtank aan de oppervlakte." De opslagtank zou een reactief middel kunnen bevatten. Medisch personeel zou de wegwerpstrips kunnen gebruiken om watermonsters op E. coli in het veld te testen, bijvoorbeeld.

Apparaten zoals deze, gemaakt in technische laboratoria, vinden nu hun weg naar de markt.

Water, water in de lucht

NBD-nanotechnologieën, een in Boston gevestigd bedrijf dat wordt gefinancierd door het Small Business Technology Transfer-programma van NSF, heeft tot doel de duurzaamheid en functionaliteit van oppervlaktecoatings voor industrieel gebruik op te schalen.

Een van de meest impactvolle toepassingen voor superhydrofoob of hydrofoob onderzoek is een verbeterde condensatie-efficiëntie. Wanneer waterdamp condenseert tot een vloeistof, het vormt typisch een film. Die film is een barrière tussen de damp en het oppervlak, waardoor het moeilijker wordt om andere druppels te vormen. Als die film kan worden voorkomen door druppels onmiddellijk nadat ze zijn gecondenseerd weg te vegen, zeg dan:met een superhydrofoob oppervlak - de condensatiesnelheid neemt toe.

Condensatoren zijn overal. Ze staan ​​in je koelkast, auto en airconditioning. Door efficiëntere condensatie zou al deze apparatuur met minder energie kunnen functioneren. Een betere efficiëntie is vooral belangrijk op plaatsen waar grootschalige koeling voorop staat, zoals elektriciteitscentrales.

"NBD maakt duurzamere coatings die grote oppervlakten overspannen, ", zegt Sara Beaini, senior wetenschapper bij NBD Nanotechnologies. "Duurzaamheid is een belangrijke factor, want als je op microniveau werkt, ben je afhankelijk van een ongerepte oppervlaktestructuur. Elke mechanische of chemische slijtage die de oppervlaktestructuren vervormt, kan de gunstige oppervlakte-eigenschappen snel aanzienlijk verminderen of elimineren."

NBD, waarvan je misschien had geraden dat het staat voor Namib Beetle Design, is een samenwerking aangegaan met Megaridis en anderen om de duurzaamheid te verbeteren, de grootste uitdaging bij het commercialiseren van superhydrofoob onderzoek. Condensors van elektriciteitscentrales met duurzame hydrofobe of superhydrofobe coatings zouden efficiënter kunnen zijn. En met water- en energietekorten op de loer, partnerschappen zoals die van hen die helpen om deze doorbraak van het lab naar de buitenwereld over te dragen, worden steeds waardevoller.

Other groups have applied hydrophobic patterning methods in clever ways.

Kripa Varanasi, mechanical engineer at MIT and NSF CAREER awardee, has applied superhydrophobic coatings to metal, ceramics and glass, including the insides of ketchup bottles. Julie Crockett and Daniel Maynes at Brigham Young University developed extreme waterproofing by etching microscopic ridges or posts onto CD-sized wafers.

With all these cross-country efforts, many are optimistic for a future where people in dry areas can harvest fresh water from a morning wind, and lower their energy needs dramatically.

"If someone comes up with a really cheap solution, then applications are waiting, " said Rajesh Mehta, NSF Small Business Innovation Research/Small Business Technology Transfer program director.