Een multidisciplinaire groep die de fysische en chemische eigenschappen van insectenvleugels bestudeert, heeft het vermogen aangetoond om de nanostructuren te reproduceren die cicadevleugels helpen water af te weren en te voorkomen dat bacteriën zich op het oppervlak vestigen. De nieuwe techniek, die gebruik maakt van commerciële nagellak, is economisch en ongecompliceerd, en de onderzoekers zeiden dat het zal helpen bij het fabriceren van toekomstige hightech waterdichte materialen.

Het team gebruikte een vereenvoudigde versie van een fabricageproces - nano-imprint-lithografie genaamd - om een ​​sjabloon te maken van de complexe pilaarvormige nanostructuren op de vleugels van Neotibicen pruinosus, een jaarlijkse cicade gevonden in de centrale regio van de Verenigde Staten. De sjablonen zijn volledig oplosbaar en produceren replica's van gemiddeld 94,4% van de pilaarhoogte en 106% van de originele vleugel, of de pijlerdiameter van de hoofdstructuur, aldus de onderzoekers.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

"We hebben ervoor gekozen om met vleugels van deze soort cicade te werken omdat ons eerdere werk laat zien hoe de complexe nanostructuren op hun vleugels een uitstekend vermogen bieden om water af te stoten. Dat is een zeer wenselijke eigenschap die nuttig zal zijn in veel materiaaltechnische toepassingen, van vliegtuigvleugels tot medische apparatuur, zei Marianne Alleyne, een entomologieprofessor aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, die samen met Donald Cropek de studie leidde, van het US Army Corps of Engineers' Construction Engineering Research Laboratory, en Nenad Miljkovic, een professor in mechanische wetenschappen en techniek in Illinois.

Nano-imprint-lithografie is niet nieuw, maar kan arbeidsintensief en duur zijn, aldus de onderzoekers. Sommige benaderingen gebruiken giftige materialen die het origineel gekopieerde object kunnen beschadigen, als een delicate cicadevleugel. Anderen vereisen hoge temperaturen die niet compatibel zijn met biologische monsters zoals planten of insecten.

"Ons proces stelt ons in staat om dit te doen in een open lab bij kamertemperatuur en atmosferische druk, "Zei Cropek. "We gebruiken nagellak en ontsmettingsalcohol, die geen schade toebrengt aan de delicate vleugel-nanostructuren."

In het labortorium, het team brengt een sneldrogende nagellak direct aan op een cicadevleugel, die vervolgens bij kamertemperatuur wordt uitgehard.

"Het was niet eenvoudig om de juiste formule voor nagellak te vinden, omdat we er een willen vermijden die de sjabloon vervormt of uitrekt tijdens het verwijderen, "Zei Alleyne. Eenmaal voltooid, de sjabloon kan worden gecoat met een polymeer of metaal en vervolgens worden opgelost, waardoor alleen het replicametaal of polymeer overblijft.

Om de veelzijdigheid van de nieuwe methode te tonen, het team experimenteerde met twee zeer verschillende replicamaterialen:kopermetaal en een flexibel op silicium gebaseerd organisch polymeer genaamd PDMS.

"We hebben aangetoond dat de techniek compatibel is met fysieke dampafzetting en elektrochemische depositie van metalen, oxiden of keramiek, evenals chemische dampafzetting en spincoating van zachtere materialen zoals polymeren, ' zei Miljkovic.

"Koper is voor ons bijzonder interessant vanwege zijn inherente antimicrobiële eigenschappen, en ons eerdere werk geeft aan dat sommige cicadesoorten antimicrobiële eigenschappen op hun vleugels vertonen, "Zei Alleyne. "We weten niet of het de chemicaliën op het vleugeloppervlak zijn of de fysieke nanostructuren, or a combination of both chemistry and topography, that produce the bactericidal activity, but being able to produce materials with different chemistries and structures will help us answer that fundamental question. This new, relatively simple fabrication method will ultimately help us design multifunctional engineered materials."