Vrsta pauka živi ceo svoj život pod vodom, uprkos tome što ima pluća koja mogu da udišu samo atmosferski kiseonik. Kako to radi? Ovaj pauk, poznat kao Argironeta akuatica, ima milione grubih, vodoodbojnih dlaka koje zadržavaju vazduh oko njegovog tela, stvarajući rezervoar kiseonika i delujući kao barijera između paukovih pluća i vode.
Ovaj tanak sloj vazduha naziva se plastron i decenijama naučnici o materijalima pokušavaju da iskoriste njegove zaštitne efekte. To bi moglo dovesti do podvodnih superhidrofobnih površina koje mogu da spreče koroziju, rast bakterija, adheziju morskih organizama, hemijsko prljanje i druge štetne efekte tečnosti na površine. Ali plastroni su se pokazali veoma nestabilnim pod vodom, održavajući površine suvim samo nekoliko sati u laboratoriji.
Sada, tim istraživača predvođen Harvardskom školom za inženjerstvo i primenjene nauke (SEAS), Institutom za biološki inspirisano inženjerstvo na Harvardu, Friedrich-Alekander-Universitat Erlangen-Nurnberg u Nemačkoj i Univerzitetom Aalto u Finska je razvila superhidrofobnu površinu sa stabilnim plastronom koji može da traje mesecima pod vodom.
Opšta strategija tima za stvaranje dugotrajnih podvodnih superhidrofobnih površina, koje odbijaju krv i drastično smanjuju ili sprečavaju adheziju bakterijskih i morskih organizama kao što su školjke i dagnje, otvara niz primena u biomedicini i industriji.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature Materials.
„Istraživanje bioinspirisanih materijala je izuzetno uzbudljivo područje koje nastavlja da donosi u oblast veštačkih materijala, elegantna rešenja koja su evoluirala u prirodi, koja nam omogućavaju da uvedemo nove materijale sa svojstvima koja nikada ranije nisu viđena“, rekla je Džoana Ajzenberg, profesorka Ejmi Smit Berilson. nauke o materijalima i profesor hemije i hemijske biologije na SEAS-u i koautor rada. „Ovo istraživanje pokazuje kako otkrivanje ovih principa može dovesti do razvoja površina koje održavaju superhidrofobnost pod vodom.“
Aizenberg je takođe pridruženi član fakulteta Viss instituta. Aerofilna površina napravljena od često korišćene i jeftine legure titanijuma sa dugotrajnim plastronom održava se suvom tokom stotina zakucavanja u petrijevu posudu sa krvlju. Zasluge: Alekander B. Tesler/Friedrich-Alekander-Universitat Erlangen-Nurnberg
Istraživači već 20 godina znaju da je stabilan, podvodni plastron teoretski moguć, ali do sada to nisu mogli eksperimentalno da pokažu.
Jedan od najvećih problema sa plastronima je to što su im potrebne grube površine za formiranje, poput dlake Argironeta akuatica. Ali ova hrapavost čini površinu mehanički nestabilnom i podložnom bilo kojoj maloj perturbaciji temperature, pritiska ili sitnog defekta.
Trenutne tehnike za procenu veštački napravljenih superhidrofobnih površina uzimaju u obzir samo dva parametra, koji ne daju dovoljno informacija o stabilnosti vazdušnog plastrona pod vodom. Aizenberg, Jaakko V. I. Timonen i Robin H. A. Ras sa Univerziteta Aalto, i Alekander B. Tesler i Volfgang H. Goldmann sa FAU i njihovi timovi identifikovali su veću grupu parametara, uključujući informacije o hrapavosti površine, hidrofobnosti površinskih molekula, pokrivenosti plastronom , kontaktni uglovi i još mnogo toga, što im je, u kombinaciji sa termodinamičkom teorijom, omogućilo da shvate da li će vazdušni plastron biti stabilan.
Sa ovom novom metodom i jednostavnom tehnikom proizvodnje, tim je dizajnirao takozvanu aerofilnu površinu od najčešće korišćene i jeftine legure titanijuma sa dugotrajnim plastronom koji je održavao površinu suvom hiljadama sati duže od prethodnih eksperimenata, pa čak i duže od plastroni živih vrsta.
„Koristili smo metod karakterizacije koji su teoretičari predložili pre 20 godina da bismo dokazali da je naša površina stabilna, što znači da ne samo da smo napravili novi tip izuzetno odbojne, izuzetno izdržljive superhidrofobne površine, već možemo da imamo i put. da to ponovo uradim sa drugačijim materijalom“, rekao je Tesler, bivši postdoktorski saradnik na SEAS-u i Viss institutu, i glavni autor rada.
Da bi dokazali stabilnost plastrona, istraživači su stavili površinu kroz prsten – savijajući je, uvijajući je, prskajući je toplom i hladnom vodom i brusili je peskom i čelikom kako bi blokirali površinu koja je ostala aerofilna. Preživeo je 208 dana potopljen u vodu i stotine zakucavanja u petrijevu posudu sa krvlju. Jako je smanjio rast E.coli i školjki na svojoj površini i potpuno zaustavio prianjanje dagnji.
„Stabilnost, jednostavnost i skalabilnost ovog sistema čine ga vrednim za primene u stvarnom svetu“, rekao je Stefan Kole, diplomirani student na SEAS-u i koautor rada. „Sa pristupom karakterizacije prikazanim ovde, demonstriramo jednostavan komplet alata koji vam omogućava da optimizujete svoju superhidrofobnu površinu da biste postigli stabilnost, što dramatično menja vaš prostor za aplikaciju.
Taj prostor za primenu uključuje biomedicinske aplikacije, gde bi se mogao koristiti za smanjenje infekcije nakon operacije ili kao biorazgradivi implantati kao što su stentovi, kaže Goldman, stariji autor rada i bivši saradnik sa Harvarda. Takođe uključuje podvodne aplikacije, gde može sprečiti koroziju u cevovodima i senzorima. U budućnosti bi se čak mogao koristiti u kombinaciji sa super-glatkim premazom poznatim kao SLIPS, poroznim površinama natopljenim klizavim tečnostima, koji su razvili Aizenberg i njen tim pre više od jedne decenije, kako bi zaštitili površine još dalje od kontaminacije.
