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在自然界发现的增强的防水表面

2020年07月21日 点击:

通过对昆虫表面的调查,宾夕法尼亚州立大学的研究人员详细描述了一个以前无法识别的纳米结构,该纳米结构可用于设计更坚固,更具弹性的拒水涂层。

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这项研究的结果今天(7月17日)发表在《科学进展》上。

具有增强的防滴能力,此设计可应用于个人防护设备(PPE),以更好地抵抗病毒载带的颗粒,例如COVID-19等。

“在过去的几十年中,常规设计的水排斥表面也通常是基于植物,像荷叶,”林旺,材料科学与工程学院在宾夕法尼亚州立大学系的博士生论文的主要作者。

经典的工程理论已使用这种方法来创建超疏水或疏水表面。传统上,它们是用低固含量的质地制造的,这种质地在低密度的微观,毛状纳米结构之上保持了极薄的空气层,研究人员将其比作冰球台。

“原因是,如果液滴或物体漂浮在空气上方,它就不会粘在表面上,” Wormley早期工程学教授,机械与生物医学工程学副教授Tak-Sing Wong说。王的顾问。

由于人造涂层有效地起作用,因此它们倾向于模仿这些纳米结构的低密度。

但是,本文详细介绍了一种完全不同的方法。在高分辨率电子显微镜下检查蚊子的眼睛,跳尾的身体或蝉的翅膀等表面时,Wang发现,这些表面上的纳米级毛发密度更高,在工程学中被称为高固体分质地。经过进一步的探索,这种与植物结构的明显偏离可能会带来额外的拒水益处。

“想像一下,如果您在表面上具有高密度的这些纳米结构,”王说。“有可能通过更高的冲击力来保持空气层的稳定性。”

这也可能意味着堆积更密集的结构可能能够排斥以更高速度运动的液体,例如雨滴。

尽管设计概念对人类来说是陌生的,但研究人员认为这种纳米结构可增强昆虫在自然环境中的适应能力。

王说:“对于这些昆虫表面而言,排斥水滴是生死攸关的问题。雨滴的撞击力足以将其带到地面并杀死它们。”“因此,对他们而言保持干燥真的很重要,我们想出了办法。”

有了从自然界中获得的知识,研究人员希望将这种设计原理应用于下一代涂料。通过开发可以承受更快的运动和更高的冲击滴的憎水表面,应用变得十分丰富。

从小型飞行机器人车辆(例如亚马逊希望与之一起运送包裹的无人机)到商用客机,可以模仿这些昆虫表面的涂层可以提高效率和安全性。

但是,鉴于COVID-19大流行,研究人员此后意识到这种知识可能会对人类健康产生额外影响。

“我们希望,这种涂层在开发时可以用于PPE。例如,如果有人在面罩周围打喷嚏,那是高速液滴。使用传统涂层,这些颗粒可能会粘在PPE的表面。” Wong说过。“但是,如果成功采用本文详述的设计原理,它将能够更好地排斥这些液滴,并有可能保持表面无菌。”

从这项工作中可以看出,黄大自然启发工程实验室从生物学现象中汲取了见识,使人类的创新更好,更有效。

Wong说:“虽然我们在项目开始之初就没有想到该应用程序,但是COVID-19让我们思考了如何使用该设计原理使更多人受益。”“作为工程师,我们需要掌握这些发现并以有意义的方式应用它们。”

这项工作的下一步将是开发一种大规模,经济高效的方法,该方法可以制造一种模仿这些特性的涂层。

Wong说:“过去,我们没有有效的表面可以排斥高速水滴。”“但是昆虫告诉了我们怎么做。自然界有如此多的例子;我们只需要向他们学习。”