Was ist zwischen einem Fahrradanzug und Haifischhaut sowie zwischen einem Rosenblatt und einer Plastiktüte üblich? Auf den ersten Blick scheint es keine Gemeinsamkeit zu geben, aber all diese unterschiedlichen Objekte können hinsichtlich der Eigenschaften ihrer Oberflächen kombiniert werden. Viele vom Menschen auf die eine oder andere Weise geschaffene Objekte wiederholen die Eigenschaften von Oberflächen in der Natur. Der Herstellungsprozess eines solchen Objekts ist jedoch weitgehend durch die Eigenschaften des zugrunde liegenden Materials begrenzt. Strukturell unterscheiden sich Metalle und Polymere in vielerlei Hinsicht von Biomaterialien, weshalb es äußerst schwierig ist, ihre Eigenschaften nachzuahmen. Dennoch haben Wissenschaftler der University of Iowa (USA) beschlossen, die Mikrostruktur des Rosenblatts als Inspiration für die Umwandlung des Metalls zu verwenden, wodurch sich seine Eigenschaften stark ändern. Wie genau das Metall gewechselt wurde,Was wurde dafür getan und wie haben die Blütenblätter der edlen Blume dabei geholfen? Antworten auf diese Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.
Grundlagen der Forschung
In der Natur passiert nichts einfach so. Das gleiche Prinzip gilt für verschiedene Arten von Oberflächen, die wir in der Natur finden können. Vertreter der Flora und Fauna haben seit Hunderttausenden von Jahren alle Arten von Veränderungen erfahren, die zur Anpassung an die Lebensraumbedingungen erforderlich sind.
Phyllocrania paradoxa, Nautilus pompilius, Cataglyphis bombycina.
Dank der Evolution erlangte jemand die Fähigkeit, für Feinde praktisch unsichtbar zu werden (Mimikry in der Gottesanbeterin Phyllocrania paradoxa , die wie ein getrocknetes Blatt aussieht), jemand erwarb eine dauerhafte Rüstung (die Schale in der Molluske Nautilus pompilius ) und jemand lernte, selbst unter widrigsten Bedingungen zu überleben (hohes Reflexionsvermögen des Ameisenkörpers Cataglyphis bombycinain der Sahara leben) usw.
Jedes der obigen Anpassungsbeispiele ist eine Folge von Strukturmerkmalen und Oberflächeneigenschaften. Es ist logisch, dass Wissenschaftler gerne solche einzigartigen Eigenschaften in unserer Welt anwenden würden, aber das ist äußerst schwierig. Der Prozess der Rekonstruktion der Eigenschaften von Biomaterialien wird als Biomimikry bezeichnet und ist häufig mit der chemischen oder physikalischen Verarbeitung eines Materials verbunden, wodurch es in gewissem Maße seine Struktur ändern kann. Zum Beispiel wird das Ätzen verwendet, um ultra- oder superhydrophobe Oberflächen auf festen Materialien zu erzeugen, was aggressive Reagenzien und teure Ausrüstung erfordert, ganz zu schweigen von geschulten und erfahrenen Spezialisten.
In den letzten Jahren ist das Verfahren der Unterkühlung von Metallpartikeln sehr populär geworden. Polydisperse weiche Partikel ( Core-Shell * ) aus unterkühltem Flüssigmetall (ULMCS), die in einem Lösungsmittel suspendiert sind , ermöglichen eine dichte Packung und Selbstsortierung von Partikeln in mehrskalige Oberflächentexturen wie die von Rosenblättern ( 1a - 1b ).
Ein Kern-Schale- Partikel * - ein Partikel, dessen Kern und Hülle sich in Zusammensetzung, Morphologie und Funktionszweck unterscheiden.
Bild Nr. 1
Nach der Ausfällung und Verdampfung des Lösungsmittels neigen weiche Partikel dazu, zufällige dicht gepackte (RCP) Strukturen zu bilden und bei einem Packungsverhältnis ∅ = 0,64 hängen zu bleiben. Der Packungsfaktor wird durch das Verhältnis ∅ = NV 0 / V bestimmt, wobei N die Anzahl der Partikel ist; V 0 - das Volumen des Partikels; V ist das Gesamtvolumen.
Angesichts der Existenz von mehrskaligen Strukturen und Kanälen auf der Oberfläche der Rose ( 1a ) werden diese Partikel außerdem einem Selbstfiltrationsprozess unterzogen, der durch die Selbstorganisation von Kapillaren erleichtert wird. Nach dem Trocknen und Erreichen eines Pendelzustands fixieren sich die Partikel schließlich selbst und bleiben in den Rissen der Oberflächentexturen stecken ( 1b ).
Ein Verklemmen tritt auf, wenn die Größe des Interpartikelhohlraums, die Konzentration der Suspension und die Größe der Partikel die folgende Beziehung erfüllen:
wobei R der Radius der Kapillare ist; r ist der Teilchenradius; n ist die Anzahl der Partikel.
Diese Gleichung sagt die Größe ( r ) oder Anzahl ( n ) von Partikeln voraus, die benötigt werden, um für eine gegebene Vertiefungsgröße ( R ) hängen zu bleiben .
Durch das Verklemmen wird auch sichergestellt, dass die abgeschiedenen ULMCS-Partikel mechanisch stabilisiert sind und daher in konforme Netzwerke der gewünschten Oberflächenschablone ( 1c - 1d ) gesintert werden können .
Beim Sintern * werden poröse und feste Materialien aus kleinen pulverförmigen oder staubigen Partikeln durch Erhöhen der Temperatur und / oder des Drucks erzeugt.Das Aufbringen von kaltem chemischem Sintern und das Verbinden und Aushärten von eingeschlossenen ULMCS-Partikeln führt zu einer gehärteten Struktur, die vom Rosenblatt (oder einem ähnlichen weichen Basismaterial) entfernt werden kann, ohne es zu beschädigen. Dieses Verfahren ist auch mit synthetischen, wärmeempfindlichen und weichen Motiven * wie PDMS (Polydimethylsiloxan / (C 2 H 6 OSi) n ) ( 1e ) kompatibel .
Motiv * ist eine kurze Sequenz von Nukleotiden oder Aminosäuren, die sich während der Evolution kaum ändert.Wenn inverse biomimetische Strukturen auf elastomere Materialien angewendet werden, auf denen ULCMS-Partikel gepackt und chemisch gesintert sind, wird eine exakte Nachbildung des natürlichen Musters realisiert ( 1f - 1h ).
Somit können biomimetische feste Metallstrukturen ohne Erwärmung durch autonome Prozesse wie Kapillardichtung, Störung der Kinetik (Unterkühlung) und Selbstorganisation / Selbstsortierung von Partikeln hergestellt werden.
Forschungsergebnisse
Polydisperse Metallpartikel ULMCS (51% In + 32,5% Bi + 16,5% Sn) wurden unter Verwendung der SLICE-Methode (Trennung von Flüssigkeiten in komplexe Partikel von Scherflüssigkeiten in komplexe Partikel ) synthetisiert .
Das SLICE-Verfahren kann Partikel <10 nm erzeugen. Um jedoch die Selbstfiltration und die einfache Charakterisierung zu verbessern, wurden in dieser Studie größere Größen (μm) und eine höhere Polydispersität verwendet. Die in dieser Studie verwendeten Partikel hatten einen Durchmesser von 2,71 ± 1,58 um, daher betrug der vorhergesagte Packungsfaktor etwa ∅ = 0,70.
Diese weich verformbaren ULMCS bilden erwartungsgemäß dichtere Strukturen als die zufällige harte Packung, die bei harten Kugeln beobachtet wird (∅ = 0,64). Die Verdichtung ist wahrscheinlich auf die Formänderung unter Einwirkung von Kapillardruck und autonomer Dimensionsordnung zurückzuführen, die die Verdichtung erhöht. Diese Prozesse können jedoch durch äußere Spannungen während des Absetzens der Partikel gestört werden.
Um den Einfluss des Abscheidungsprozesses auf die Packungsdichte zu untersuchen, führten die Wissenschaftler mehrere Zyklen mit unterschiedlich starker Scherspannung (F s ) durch. Die Partikel wurden auf biologische Schablonen (Rosenblätter) aufgetragen und mit Kupferband entfernt, wodurch eine biomimetische Metallstruktur erzeugt wurde, wenn auch mit einem umgekehrten Relief.
Bild Nr. 2
In den Bildern 2a, 2d und 2g veranschaulicht schematisch verschiedene Verfahren zur Abscheidung im Bereich von niedrigen Werten von F (Auftragen mit Bürste) zu hohem F (Zentrifugation) und ohne F (Sputtering). Das Sprühverfahren liefert eine minimale Menge an F, da sich die Partikel senkrecht zur Blütenblattoberfläche ablagern.
Das direkte Bürsten ( 2a ) verursacht während der Abscheidung niedrige F-Werte auf der Partikelsuspension, was zu dicken (> 10 μm) mehrschichtigen (> 7 Schichten) Mustern ( 2b - 2c ) führt. Diese Methode ist am einfachsten zu implementieren, aber nicht am besten geeignet, da sie eine direkte Beteiligung des Menschen erfordert, die Wissenschaftler vermeiden möchten.
Zentrifugationssedimentation bei 1000 U / min (2d ) ermöglicht einen kontrollierbareren und reproduzierbareren Prozess, da die Abscheidungsrate und damit der F s -Wert festgelegt werden kann. Dieses Verfahren schneidet jedoch die äußerste Schicht der abgeschiedenen Partikel ab, was zu etwas dünneren Filmen (<10 & mgr; m, ~ 4-5 Schichten; 2e - 2f ) im Vergleich zu gebürsteten Filmen führt.
Überraschenderweise bietet die Zentrifugation eine etwas bessere Selbstfiltration, wie die Offline-Dimensionierung auf der obersten Schicht der erhabenen Struktur zeigt (rot markiert bei 2c und 2f ).
Aber das Sprühen ( 2g) ergibt viel dünnere Filme (~ 3 Schichten) mit signifikanten Defekten / Delaminationen ( 2h - 2i ). Dies kann auf Probleme beim Pumpen ziemlich dichter Metallpartikel aus dem Handsprühsystem zurückzuführen sein, die dazu neigen, immer weniger Partikel abzuscheiden. Die Ablagerung größerer Partikel in der Sprühlösung kann auch zu einer geringen Konzentrations- und Größenselektivität und damit zur Bildung dünnerer Filme beitragen.
Im Fall von körnigem Material kann die Selbstfiltration zu einer besseren Packung in Oberflächenmerkmale führen, was zu einer konformeren Packung in verschiedenen Größenmaßstäben führt. Die Selbstfiltration manifestiert sich in der Partikelgrößenverteilung in der obersten Schicht der mitgerissenen Partikel.
Vergleicht man die Partikelgrößenverteilung der vorbereiteten Partikel mit denen, die am tiefsten in den Spalten der Rosenblätter abgelagert sind (d. H. Die oberste Schicht der Metallstruktur darstellen), wird eine signifikante Verschiebung beobachtet. In der polydispersen Ausgangssuspension wird ein großer positiver Asymmetriekoeffizient beobachtet, während in den abgeschiedenen Partikeln größere Partikel herausgefiltert werden ( 2j - 2m ).
Die Anpassung eines Gaußschen an die Partikelgrößenverteilung der obersten Schicht zeigte, dass bei Verwendung eines Pinsels die Partikel am größten sind (~ 5 μm), gefolgt von Zentrifugation (~ 4 μm) und Sputtern (~ 3 μm).
Eine eingehendere Analyse der drei Methoden der Partikelsedimentation ergab, dass die Zentrifugation trotz der geringen relativen Asymmetrie am besten geeignet ist. Bei anderen Methoden wurde eine Reihe von Problemen beobachtet: geringe Kapillarpackung beim Sprühen; Gute Verpackung, aber schlechte Skalierbarkeit bei Verwendung eines Pinsels.
In Bezug auf die Wahl der Methode zur Ablagerung von Partikeln auf dem Rosenblatt (d. H. Der Methode zur Replikation seiner Mikrostrukturen mit Metallpartikeln) war es auch erforderlich, den Grad der Übereinstimmung der Strukturen des Originals und der Form zu bewerten. Der Vergleich ergab, dass alle aus der roten Rose erhaltenen Elemente eine durchschnittliche Größe in der folgenden Reihenfolge hatten: Bürste> Zentrifugation> Sprühen. In allen Fällen waren jedoch die Größen der Strukturelemente einander ziemlich ähnlich (20 & mgr; m), d.h. In diesem Aspekt kann jede der Methoden verwendet werden.
Bild №3
Als nächstes begannen die Wissenschaftler mit einer vollständigen Bewertung der Eigenschaften von BIOMAP ( BIOmimetic MetAl Patterning ), d. H. biomimikrisches Metallsystem.
Während praktischer Experimente wurden zwei Arten eng verwandter Rosen verwendet:
- ( 1) a1 = 21.68 ± 3.32 (3);
- Peace ( 2) a2 = 26.63 ± 4.00 (3b);
Das Aufbringen derselben Anfangssuspension auf ähnlich hergestellte Blütenblätter durch Zentrifugation wurde durchgeführt, um die Unterschiede in diesen Matrizen zu erfassen.
Als Ergebnis des Aufbringens von Partikeln durch Zentrifugation auf Rose 1 wurden Muster mit einem Durchmesser des Hotelelements a 1 '= 19,85 ± 3,82 & mgr; m ( 3b - 3c ) erhalten , was einer Abweichung von ~ 2 & mgr; m vom ursprünglichen Muster entspricht. Die Differenz von 10% kann durch Verformung der Oberflächenmerkmale der Blütenblätter unter Einwirkung von Kapillardruck und / oder Gewicht der abgelagerten Partikel verursacht werden.
Für Rose 2 betrug die durchschnittliche Größe der Musterelemente der aufgebrachten Partikel 2 '= 23,23 ± 3,98 μm ( 3e - 3f)), d.h. Die Abweichung vom Original betrug etwa 3 Mikrometer. Diese Unterschiede werden auch als Verschiebungen der durchschnittlichen Gaußschen Werte der erhaltenen Histogramme ( 3 g - 3 h ) aufgezeichnet .
Die Form der verteilten Partikel der Blütenblätter und der BIOMAP-Oberflächen ist sehr ähnlich, was auf eine gute Replikation hinweist. Schiefe und Kurtosis bestätigen jedoch, dass die oben beschriebenen subtilen Änderungen (Abweichungen) systematische Fehler sind (3i).
Natürlich sollte beachtet werden, dass alle resultierenden BIOMAP-Muster (markiert mit "-") invers zum Original sind (Rosenblätter, markiert mit "+"), wenn auch mit einem hohen Replikationsgrad. Um das gleiche Muster wie auf dem Blütenblatt zu erhalten, muss zuerst mit dem PDMS-Elastomer repliziert und dann aus diesem "Eindruck" eine Kopie mit BIOMAP erstellt werden. Um identische (nicht gespiegelte) Drucke eines Rosenblatts zu erhalten, müssen Sie den Vorgang grob zweimal durchführen (diejenigen, die mit dem Kochen vertraut sind, wissen, wie man einen Kuchen mit zwei Schalen aus einer Form nimmt).
Bild 4
Die obigen Bilder zeigen die Präzision des BIOMAP bei der Erstellung eines synthetischen Rosenmusters. Zunächst wird eine Primär- / Entwurfsschablone (-) erstellt, indem das PDMS von der Oberfläche des Rosenblatts genau eingeprägt wird ( 4a)). Die PDMS-Form wird dann mit ULMCS-Partikeln gefüllt, die dann mit CUPACT gesintert und die Proben entnommen werden ( 4b - 4c ). Das Ergebnis ist eine endgültige Probe von (+) ULMCS, wenn auch mit größeren Lücken zwischen den Oberflächenmerkmalen im Vergleich zur Rosenblüte ( 3a ), da die Sphärizität der Partikel nach CUPACT erhalten bleibt.
Trotz der Einschränkungen bei der Erzeugung einer vollständig durchgehenden glatten Oberfläche zeigt diese Methode das nächste Analogon einer Rosenoberfläche ( 4b)), erstellt nach den Prinzipien der physikalischen Chemie und der chemischen Kinetik. Zusätzlich zu der neuen Oberflächentextur ist auch klar, dass eine metallgeprägte (-) Kopie der Blütenblattoberfläche als Form verwendet werden kann, um ein elastomeres Analogon eines Rosenblatts zu erzeugen, da Kapillarkräfte verhindern, dass das viskose unvernetzte Elastomer durch das Porennetzwerk eindringt.
Um diese Theorie zu testen, wurden Metallelemente (-) mit PDMS ( 4d ) gefüllt , wonach ein erhabenes (+) Muster erhalten wurde, ähnlich einem Rosenblatt ( 4e - 4f ).
Wenn Metall verwendet wurde, um eine Kopie zu erhalten, wurden Abweichungen in den Abmessungen der resultierenden Elemente vom Original um etwa 10% beobachtet. In dem Fall, in dem Metall als Form zur Herstellung von PDMS-Elementen verwendet wurde, wurden keine signifikanten Änderungen der Abmessungen beobachtet.
Trotz aller Unterschiede zwischen den Kopien und dem Original sind die Benetzungswerte * der Originaloberfläche und der Replik ziemlich ähnlich (Vergleich der Hydrophobizität bei 4 g ).
Benetzung * - das Zusammenspiel einer Flüssigkeit mit der Oberfläche eines Feststoffs oder einer anderen Flüssigkeit.Das Rosenblatt war ultrahydrophob mit einem durchschnittlichen Kontaktwinkel von 133,1 ± 5,0 °, während die biomimetische Kopie (+) ULMCS ( 4b ) einen durchschnittlichen Kontaktwinkel von * 138,7 ± 14,7 ° ergab . Die PDMS-Replik zeigte einen kleineren Kontaktwinkel.
Benetzungswinkel (Kontaktwinkel) * - der Winkel zwischen der zur Flüssigkeitsoberfläche gezogenen Tangente und der festen Oberfläche. Dieser Parameter bestimmt die intermolekulare Wechselwirkung von Partikeln der Oberfläche eines Feststoffs mit einer Flüssigkeit.Nicht texturierten gesinterte CUPACT Partikel (CAP bei 4g ) und PDMS - Teilchen wurden als Kontrollgruppe während der Analyse (gestrichelte Linie bei verwendet 4g ).
Die Tröpfchen auf den nicht strukturierten Oberflächen der gesinterten Partikel, die langsam in die poröse Oberfläche diffundieren, zeigen eine vorübergehende Hydrophobizität. Vermutlich ist diese leichte Hydrophobizität, die auf der Schicht aus gesinterten Partikeln beobachtet wird, auf das Vorhandensein des wesentlichen Methyl-terminierten Oberflächenliganden zurückzuführen, der zur Stabilisierung des ULCMS verwendet wird.
Um die Benetzung zwischen biomimetischen und natürlichen Proben weiter zu vergleichen, wurden die im BIOMAP-Muster befindlichen Tröpfchen gekippt ( 4b)), um den Blütenblatteffekt zu simulieren. Wie erwartet haften die Tröpfchen an der Oberfläche, wenn auch mit einer großen Kontaktwinkelhysterese, wenn die Steigung zunimmt ( 4 Stunden und Video unten).
Demonstration der Benetzungseigenschaften eines Rosenblatts und einer Metallnachbildung.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.
Epilog
In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler ein biomimetisches Metallmuster auf der Basis eines weichen Substrats (d. H. Eines Rosenblatts) erstellen. Die hergestellten Elemente ahmen das Biosimilar sowohl in der Struktur als auch in den Eigenschaften der Benetzung vollständig nach, wenn auch mit geringfügigen Abweichungen, Artefakten der BIOMAP-Verarbeitungsmethode und Asymmetrie in den Eigenschaften des Materials.
Wenn wir die gesamte Studie auf einen Satz vereinfachen, konnten Wissenschaftler einen Eindruck von einem Rosenblatt aus Metallpartikeln hinterlassen. Das resultierende Replikat hat dieselben Eigenschaften wie das Original. Besonderes Augenmerk sollte auf die Hydrophobizität des entwickelten Materials gelegt werden, die zuvor durch viel komplexere und kostspieligere Verfahren erreicht wurde.
Die erzeugte Struktur hat die Festigkeit und Haltbarkeit von Metall und die Hydrophobizität eines zarten Rosenblatts. Diese Hybridisierung von Eigenschaften ermöglicht es, verschiedene Materialvarianten zu erstellen und den Anwendungsbereich zu erweitern. Laut Wissenschaftlern kann ihre Entwicklung in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt werden, von der Medizin (Replikation nanometrischer Strukturen, um beschädigte Teile weiter zu ersetzen) bis zur Luftfahrtindustrie (Verarbeitung von Flugzeugflügeln zur Reduzierung der Vereisung während des Fluges).
Wie dem auch sei, die Natur hat erneut gezeigt, dass sie nicht nur für Künstler, die malerische Landschaften schaffen, sondern auch für Wissenschaftler, die unglaubliche Geräte und Systeme erfinden, eine nahezu unerschöpfliche Inspirationsquelle ist.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)
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