Исследователи по-новому взглянули на крылья бабочки и рисовые листья, они провели изучение их микроскопической структуры для создания нанотекстуры, способной улучшить многие материалы.
К примеру, исследователи смогли убрать до 85% грязи с пластмассовой поверхности с покрытием, которое по своей структуре было похоже на крылья бабочки, по сравнению с обычными 70%, которых можно достичь уборкой на плоской поверхности. В последнем выпуске журнала Soft Matter инженеры из Университета штата Огайо сообщают, что такая текстура улучшает течение жидкости и препятствует загрязнению поверхности. Эти характеристики можно воплотить в новых высокотехнологичных поверхностях для самолетов и кораблей, трубопроводов и медицинского оборудования.
«Природа создала много поверхностей, которые являются самоочищающимися или уменьшают лобовое сопротивление, – говорит Бхарат Бхушан, ученый и профессор в области инженерной механики в Университете Огайо. – Уменьшение лобового сопротивления необходимо в промышленности – независимо от того, пытаетесь ли вы переправить несколько капель крови по наноканалу или миллионы галлонов сырой нефти по трубопроводу. А самоочищающиеся поверхности были бы полезны для медицинского оборудования – в катетерах или любом другом оборудовании, где могут жить бактерии».
Бхушан и докторант Грегори Бикслер использовали электронный микроскоп и оптический профилометр купить который пришлось для изучения гигантской синей бабочки морфо (Morpho didius), а также листьев рисового злака Oriza sativa. Они отлили пластмассовые копии обеих микроскопических структур и сравнили их способность к отталкиванию грязи и воды с точными копиями рыбьей чешуи, акульей шкуры и обычной плоской поверхностью.
Голубая морфо, которая встречается в Центральной и Южной Америке, – это широко известная бабочка, которую ценят за сверкающий синий цвет и переливчатость. Помимо красоты она обладает способностью отталкивать грязь и воду при взмахе крыльев. «Для бабочки, живущей в природных условиях, сохранение чистоты – это первоочередная задача, – объясняет Бхушан. – Их крылья настолько тонкие, что оседание грязи или влаги делает их слишком тяжелыми, и бабочка не может взлететь. К тому же самки и самцы различают друг друга по цвету и узору на крыльях, и каждая разновидность уникальна. Таким образом, они должны сохранять крылья яркими и заметными, чтобы размножаться».
Электронный микроскоп показал, что крылья синей морфо не такие гладкие, как кажется, когда смотришь невооруженным глазом. Структура их поверхности напоминает крышу с рядами расположенной внахлест черепичной плитки, которые расходятся от тела бабочки в стороны так, чтобы вода и грязь скатывались с крыльев «как вода с крыши», говорит Бхушан.
Рисовые листья обнаружили под микроскопом еще более фантастический пейзаж – ряды желобков размером с микрометр (миллионная часть метра), каждый из которых покрыт еще меньшими выпуклостями размером с миллимикрон (миллиардная часть метра). Все они находятся под таким углом, чтобы капли дождя стекали вниз к стеблю и далее – к корню растения. На листе также есть скользкое восковое покрытие, которое помогает капелькам воды стекать вниз.
Исследователи хотели сравнить характеристики крыльев бабочки и рисовых листьев с другими поверхностями, которые они изучили, – такими как акулья шкура, которая покрыта скользкими микроскопическими углублениями, благодаря которым вода мягко обтекает акулу. Они также проверили рыбью чешую и нетекстурированные плоские поверхности.
После изучения всех структур исследователи сделали формы из силикона и отлили их пластмассовые копии. Чтобы сымитировать восковое покрытие на листьях риса и скользкое покрытие на акульей шкуре, которая в природе является слизистой, они покрыли все поверхности специальным веществом, состоящим из наночастиц. В ходе одного из тестов они поместили рядом пластмассовые трубы различных текстур с покрытием и пустили по ним воду. Давление воды в трубе в ходе эксперимента характеризовало поток жидкости. В трубе размером с коктейльную соломку тонкий слой акульей шкуры, покрытый наночастицами, уменьшил гидравлическое давление на 29% по сравнению с поверхностью без покрытия. Рисовый листок с покрытием показал второй результат с 26%, а крыло бабочки оказалось третьим приблизительно с 15%.
Затем они посыпали поверхности карбидокремниевым порошком (распространенный промышленный порошок, напоминающий обычную грязь) и протестировали поверхность на легкость смывания порошка. Они держали образцы под углом 45 градусов и капали на них воду из шприца в течение двух минут так, чтобы по ним протекло приблизительно по две столовых ложки воды. Используя программное обеспечение, они посчитали число карбидокремниевых частиц на каждой поверхности до и после мытья. Шкура акулы оказалась самой чистой: с нее во время теста смылось 98% частиц. Затем идут рисовый лист с 95% и крыло бабочки приблизительно с 85-процентным показателем чистоты. Для сравнения: с плоской поверхности смылось только 70% частиц.
Бушан думает, что структура рисового листа могла бы особенно подойти для более эффективного протекания жидкости по трубам, таким как каналы в микроустройствах или нефтепроводы. Способность красивых крыльев синей морфо поддерживать бабочку в чистоте и сухости вдохновила ученых на мысль, что структура черепичной крыши могла бы подойти для медицинского оборудования, где она могла бы предотвратить рост бактерий.
