Superhydrofobowa powierzchnia, która może pozostać sucha będąc pod wodą nawet kilka miesięcy

To, co sprawdza się w przyrodzie, z pewnością też znajdzie zastosowania w działalności ludzkiej. Czerpiąc inspirację z żyjącego w wodzie pająka, naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg w Niemczech oraz Aalto University w Finlandii opracowali powierzchnię, która ma niesamowite właściwości hydrofobowe. Może pozostawać sucha będąc pod wodą nawet kilka miesięcy. Co więcej, technologia wykonania tego typu powierzchni, jak twierdzą inżynierowie, jest stosunkowo prosta, do tego jest skalowalna i ma szeroki wachlarz praktycznych zastosowań.

Wyniki i opis badań ukazały się na łamach pisma "Nature Materials" (DOI: 10.1038/s41563-023-01670-6).

Inspiracją dla naukowców stał się pająk Argyroneta aquatica, czyli topik. To małe stworzenie, osiąga 15 mm długości. Choć nie różni się specjalnie budową ani fizjologią od swoich kuzynów i oddycha powietrzem atmosferycznym, to spędza on całe swoje życie pod wodą.

Jak to robi? Gatunek ten posiada miliony szorstkich, wodoodpornych włosków, które zatrzymują pęcherzyki powietrza wokół jego odwłoku, gdzie znajdują się płucotchawki, tworząc w ten sposób coś na kształt zbiornika z tlenem, co zapewnia zapas powietrza do oddychania oraz barierę między wodą a płucotchawkami. Gdy zapas się kurczy, wystawia koniec odwłoka wraz z kądziołkami przędnymi nad powierzchnię wody i między tylnymi odnóżami wytwarza sieć. Następnie wraca pod wodę, a wraz z pajęczyną zagarnia powietrze, które tworzy cienką warstwę na jego ciele.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Ta cienka warstwa nazywana jest plastronem. Uczeni z całego świata od lat próbują ją odtworzyć i wykorzystać jej ochronne działanie. Może to prowadzić do powstania powierzchni superhydrofobowych, które będą w stanie zapobiec korozji, rozwojowi bakterii, przyleganiu organizmów morskich, zanieczyszczeniom chemicznym i innym szkodliwym wpływom cieczy na różne materiały. Jednak dotychczas opracowane plastrony okazały się niestabilne pod wodą, utrzymując powierzchnie suche jedynie przez kilka godzin. Naukowcy od lat wiedzieli, że teoretycznie możliwe jest zbudowanie stabilnego plastronu, ale do tej pory nie udało im się tego wykazać eksperymentalnie. Aż do teraz.

Zespołowi kierowanemu przez uczonych z Harvardu udało się stworzyć plastron, który może przetrwać pod wodą wiele miesięcy. - Badania nad materiałami zainspirowanymi przez naturę to niezwykle ekscytujący obszar, który w dalszym ciągu wprowadza do świata materiałów wytworzonych przez człowieka eleganckie rozwiązania, co pozwala nam tworzyć nowe materiały o niespotykanych wcześniej właściwościach – powiedziała Joanna Aizenberg z John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, współautorka publikacji.

Jednym z największych problemów z plastronami jest to, że do uformowania potrzebują chropowatej powierzchni, takiej jak włoski topika. Jednak ta chropowatość sprawia, że powierzchnia jest niestabilna mechanicznie i podatna na wszelkie, nawet niewielkie zaburzenia temperatury, ciśnienia lub drobne defekty.

Naukowcy ustalili, że tworząc materiały hydrofobowe pod uwagę należy wziąć dane dotyczące nie tylko stabilności plastronu pod wodą, ale też te dotyczące chropowatości powierzchni, właściwości hydrofobowych cząsteczek na powierzchni, pokrycia jej przez plastron i wiele innych. Dzięki temu uczeni mogli przewidzieć, jak plastron zachowa się pod wodą.

To pozwoliło opracować stosunkowo prostą technikę wytwarzania takich materiałów. Badacze stworzyli z powszechnie stosowanego i niedrogiego stopu tytanu powierzchnię aerofilną, czyli taką, która przyciąga pęcherzyki powietrza lub gazu. Udało im się wytworzyć na niej stabilny plastron, który utrzymywał powierzchnię suchą o tysiące godzin dłużej niż w poprzednich eksperymentach, a nawet dłużej niż w przypadku plastronów niektórych zwierząt.

- Zastosowaliśmy metodę charakteryzowania, którą zasugerowali teoretycy 20 lat temu, aby udowodnić, że nasza powierzchnia jest stabilna, co oznacza, że nie tylko stworzyliśmy nowy typ niezwykle odpychającej, niezwykle trwałej powierzchni superhydrofobowej, ale możemy również opracować ścieżkę prowadzącą do wykonania powierzchni superhydrofobowej z innych materiałów – powiedział Alexander B. Tesler, były pracownik naukowy w John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences a obecnie zatrudniony w Wyss Institute, główny autor artykułu.

Aby sprawdzić stabilność powierzchni badacze zginali ją, skręcali, polewali gorącą i zimną wodą oraz ścierali. Powierzchnia zachowała swoje właściwości. Zanurzyli ją na ponad 208 dni w wodzie (w momencie publikacji badania plastron był nadal zanurzony i nie wykazywał oznak degradacji). Nie przylgnęły do niej żadne małże ani pąkle. Co więcej, wsadzali ją do szalek Petriego pełnych krwi. Powierzchnia była w stanie znacznie ograniczyć rozwój bakterii E. Coli.

- Stabilność, prostota i skalowalność tego systemu sprawiają, że znajdzie on szerokie zastosowanie w świecie rzeczywistym – powiedział Stefan Kolle, współautor artykułu. - Dzięki przedstawionemu tutaj podejściu demonstrujemy prosty zestaw narzędzi, który pozwala zoptymalizować powierzchnię superhydrofobową w celu osiągnięcia stabilności, co radykalnie zmienia przestrzeń do zastosowań – dodał.

Źródło: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences