Вдохновленные водным пауком, исследователи создали новый поверхностный материал, который остается сухим в течение нескольких месяцев под водой и обладает высокой устойчивостью к прилипанию бактерий и морских обитателей, таких как ракушки. Они говорят, что поверхностный материал прост в производстве, масштабируем и имеет широкое практическое применение.
То, что работает в природе, часто работает и для людей. Проблема заключается в создании необходимых биоинспирированных материалов с использованием существующих инструментов, что иногда легче сказать, чем сделать.
Теперь исследователи во главе с Гарвардской школой инженерных и прикладных наук Джона Полсона (SEAS) сделали именно это, разработав супергидрофобную металлическую поверхность, вдохновленную водным пауком; то есть он отталкивает воду и может оставаться сухим под водой в течение нескольких месяцев.
Джоанна Айзенберг, один из соавторов исследования, сказала: «Исследование биоматериалов — чрезвычайно интересная область, которая продолжает привносить элегантные решения, разработанные в природе, в сферу искусственных материалов, позволяя нам внедрять новые материалы с беспрецедентными свойствами. Это исследование показывает, как раскрытие этих принципов может привести к разработке поверхностей, которые остаются супергидрофобными под водой».
Argyroneta aquatica, также известный как паук-колокольчик, — единственный паук, который, как известно, живет почти полностью под водой. Миллионы грубых гидрофобных ворсинок задерживают воздух вокруг тела, создавая резервуар кислорода и барьер между легкими паука и водой. Тонкий слой воздуха, задерживаемый волосами паука, называется пластроном.
Исследователи на протяжении десятилетий знали, что теоретически возможно создать устойчивое подводное шасси. Однако на практике создание шероховатой поверхности, подобной пауку-колокольчику, сделало бы поверхность менее механически прочной и восприимчивой к небольшим изменениям температуры и давления. А в предыдущих экспериментах поверхности могли оставаться сухими всего несколько часов.
Исследователи знают, что смачиваемость очень чувствительна к свойствам поверхности на молекулярном уровне и сильно зависит от топографии поверхности. Поэтому они создали аэрофильную поверхность титана, то есть поверхность, которая притягивает и вытесняет пузырьки воздуха или газа, и использовали электрохимическое окисление для формирования оксидного слоя, одновременно химически растворяя образовавшиеся оксиды для создания шероховатости нанометрового масштаба.
Чтобы проверить стабильность поверхности, исследователи подвергли ее изгибу, скручиванию, распылению горячей и холодной воды, а также истиранию песком и сталью и обнаружили, что она осталась аэрофильной. Его непрерывно вымачивали в воде более 208 дней (на момент публикации исследования поверхность все еще была пропитана водой и не показывала признаков разложения) и сотни раз помещали в чашку Петри, наполненную кровью. Поверхность значительно снижает рост кишечной палочки и ракушек и полностью предотвращает прикрепление мидий.
Александр Теслер, первый автор исследования, сказал: «Мы использовали метод определения характеристик, предложенный теоретиками 20 лет назад, чтобы показать, что наша поверхность стабильна, а это означает, что мы не только создали новый тип чрезвычайно отталкивающей, чрезвычайно прочной супергидрофобной поверхности, но и можем сделать это снова с другими материалами».
Исследователи говорят, что поверхность имеет множество применений. Его можно использовать в биомедицинском оборудовании для уменьшения послеоперационных инфекций или предотвращения коррозии подводных труб и датчиков. Его также можно использовать с другим биоинспирированным материалом, разработанным командой SEAS более 10 лет назад, под названием технология пористой поверхности, наполненная синовиальной жидкостью (SLIPS).
Стефан Колле, соавтор исследования, сказал: «Стабильность, простота и масштабируемость этой системы делают ее очень ценной в реальных приложениях. С помощью представленного здесь метода определения характеристик мы показываем простой набор инструментов, который позволяет оптимизировать супергидрофобные поверхности для обеспечения стабильности, что значительно меняет пространство вашего приложения».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials, а два видеоролика, представленные SEAS, показывают, как новая поверхность отталкивает воду и кровь.