昆蟲為了防止被雨滴擊落到地面上,其體表需要保持疏水性能。近日發表在《科學·進展》上的一項研究,通過高解析度電子顯微鏡觀察蚊子眼睛、彈尾蟲身體及蟬的翅膀,發現與荷葉等植物的疏水表面不同,這些昆蟲表面上納米級的絨毛更密集。當液體快速衝擊昆蟲表面時,密集的納米級絨毛依然可以保持乾燥。根據這一原理,可以設計出對高速運動液體有更好疏水性的塗料,從而提升飛行工具抵禦雨水、口罩表面抵禦飛沫的能力。
通過對昆蟲表面的調查,賓夕法尼亞州立大學的研究人員詳細描述了一種以前未被識別的納米結構,可以用來設計更強、更有彈性的防水塗層。這種模仿蚊子複眼獨特納米結構的塗層,甚至還可以改善防病毒面具的性能。
這項研究的結果發表在7月17日的《科學進展》(Science Advances)雜誌上。據悉,這種設計原理增強了對飛沫的排斥能力,可以應用於個人防護設備(PPE),以更好地抵禦病毒顆粒,如新型冠狀病毒(COVID-19)等。
「在過去幾十年裡,傳統設計的防水錶面通常是基於植物,比如荷葉。」夕法尼亞州立大學材料科學與工程系的博士生,該論文的主要作者Lin Wang說。經典的工程理論已經使用這種方法來製造超疏水的表面。傳統上,它們是用低固體分數的紋理製造的,在一個低密度的微觀的毛髮狀納米結構之上保持一層極薄的空氣,研究人員將其比作空氣曲棍球檯。
「其原因是,如果液滴或物體漂浮在空氣上方,它就不會粘在空氣表面。」Wormley早期工程學教授,機械和生物醫學工程副教授tako-sing Wong說。由於它的有效性,人造塗層傾向於模仿這些納米結構的低密度。
但是,本文詳細介紹了一種完全不同的方法。在高解析度電子顯微鏡下檢查蚊子的眼睛,跳尾的身體或蟬的翅膀等表面時,Wang發現,這些表面上的納米級毛髮密度更高,在工程學中被稱為高固體分質地。經過進一步的探索,這種與植物結構的重大偏離可能會帶來額外的驅水效益。
「想像一下,如果您在表面上具有高密度的這些納米結構。」Wang說,「有可能通過更高的衝擊力來保持空氣層的穩定性。」這也可能意味著堆積得更緊密的結構可能能夠排斥以更高速度運動的液體,例如雨滴。
雖然這種設計理念對人類來說是全新的,但研究人員認為這種納米結構增強了昆蟲在自然環境中的適應能力。「對於這些昆蟲的表面,排斥水滴是一個生死攸關的問題。雨滴的衝擊力足以把它們衝到地面並殺死它們……所以,讓它們保持乾燥非常重要,而我們找到了方法。」Wang說
藉助從自然界中獲得的知識,研究人員希望將這種設計原理應用於下一代塗料。他們希望通過開發一種防水錶面,可以承受更快移動、更高強度的衝擊水滴,相關的應用潛力非常可觀。
從小型飛行機器人車輛(例如亞馬遜希望與之一起運送包裹的無人機)到商用客機,可以模仿這些昆蟲表面的塗層可以提高效率和安全性。
然而,鑑於新冠病毒大流行,研究人員此後意識到這種知識可能會對人類健康產生額外影響。「我們希望,這種塗料開發後可以用於PPE。例如,如果有人在面罩周圍打噴嚏,那是高速液滴。使用傳統的塗層,這些顆粒可能會粘附在PPE的表面上。」Wong說,「但是,如果成功採用了本文中詳述的設計原則,它將能夠更好地排斥這些液滴,並有可能保持表面無菌。」
從這項工作中可以看出,Wong的自然啟發工程實驗室從生物現象中汲取了見識,使人類的創新更好,更有效。Wong說:「雖然在項目開始之初我們並沒有想到該應用,但是新冠病毒讓我們思考了如何利用這一設計原理使更多人受益。作為工程師,我們應該把這些發現用一種有意義的方式加以應用。」
這項工作的下一步將是開發一種大規模、具有成本效益的方法,該方法可以製造一種模仿這些特性的塗層。Wong說:「過去,我們沒有有效的表面來排斥高速水滴。但是昆蟲告訴了我們如何。本質上有很多這樣的例子。我們只需要向他們學習。」
據悉,這項研究由美國國家科學基金會,PPG基金會,Wormley Family Early Career Professorship,科思創(Covestro)和賓夕法尼亞州材料研究所贊助的人道主義材料倡議獎資助。其他貢獻者還包括機械工程系的本科畢業生Ruoxi Wang和博士研究生Jing Wang。(塗界)