Вдохновленные водным пауком (Argyroneta aquaticaspider), исследователи разработали супергидрофобную поверхность со стабильным основанием, которая может сохраняться под водой в течение нескольких месяцев. Такие поверхности можно использовать в биомедицинских областях, например, для борьбы с хирургическими инфекциями, и в промышленных областях, например, для предотвращения коррозии труб.
Один вид пауков всю жизнь живет под водой, хотя его легкие могут дышать только атмосферным кислородом. Как это делается? Паук, называемый Argyroneta aquatica, имеет на теле миллионы грубых гидрофобных волосков. Эти волоски удерживают воздух вокруг тела паука, образуя резервуар кислорода и действуя как барьер между легкими паука и водой.
Ученые-материаловеды десятилетиями пытались использовать этот тонкий защитный слой воздуха. Это создает подводные супергидрофобные поверхности, которые предотвращают коррозию, рост бактерий, прилипание морских обитателей, химическое загрязнение и другие вредные воздействия жидкостей на поверхности. Но оказывается, что пластроны под водой крайне нестабильны и в лаборатории могут оставаться сухими на поверхности лишь несколько часов.
Теперь группа исследователей под руководством Гарвардской школы инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS), Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете, Университета Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг в Германии и Университета Аалто в Финляндии разработала супергидрофобную поверхность со стабильной плазматической мембраной, которая может оставаться в воде в течение нескольких месяцев. Общая стратегия команды заключается в создании долговечных подводных супергидрофобных поверхностей, которые отталкивают кровь и значительно уменьшают или предотвращают прикрепление бактерий и морских организмов, таких как ракушки и мидии, что открывает широкий спектр применений в биомедицине и промышленности.
«Исследование биоинспирированных материалов — чрезвычайно интересная область, которая продолжает привносить элегантные решения, разработанные в природе, в сферу искусственных материалов, позволяя нам внедрять новые материалы с невиданными ранее свойствами», — сказала Джоанна Айзенберг, профессор материаловедения Эми Смит Берилсон и профессор химии и химической биологии в SEAS, соавтор статьи. «Это исследование показывает, что раскрытие этих принципов может привести к созданию поверхностей, которые остаются супергидрофобными в воде».
Айзенберг также является ассоциированным преподавателем Института Висса. Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.
Исследователи уже 20 лет знали, что устойчивое подводное шасси теоретически возможно, но до сих пор им не удавалось доказать это экспериментально.
Одна из самых больших проблем с пластронами заключается в том, что для их формирования требуется шероховатая поверхность, как у волосков Argyroneta aquatica. Но эта шероховатость делает поверхность механически нестабильной, восприимчивой к любым малейшим колебаниям температуры, давления или малейшим дефектам.
Аэрофильная поверхность, изготовленная из широко используемого и недорогого титанового сплава, имеет прочную плазматическую мембрану и остается сухой после сотни раз замачивания в чашках для культур крови. Источник изображения: Александр Б. Теслер/Фридрих-Александр-Университет Эрланген-Нюрнберг
Инновационные технологии и открытия
Современные методы оценки искусственно созданных супергидрофобных поверхностей учитывают только два параметра, которые не дают достаточной информации о стабильности частиц воздуха под водой. Айзенберг, Яакко В.И. Тимонен и Робин Х.А. Рас из Университета Аалто, а также Александр Б. Теслер и Вольфганг Х. Гольдман из Университета Флориды и их команды определили больше параметров, включая шероховатость поверхности, гидрофобность поверхностных молекул, покрытие поверхности, угол смачивания и другую информацию.
Используя этот новый подход и простую технику изготовления, команда разработала так называемую аэрофильную поверхность с использованием широко используемого недорогого титанового сплава, который имеет долговечную плазматическую мембрану, которая сохраняет поверхность сухой в течение тысяч часов лучше, чем в предыдущих экспериментах, и даже превосходит плазматические мембраны биологических видов.
«Мы использовали метод определения характеристик, разработанный теоретиками 20 лет назад, чтобы показать, что наша поверхность стабильна. Это означает, что мы не только создали новый тип чрезвычайно отталкивающей и чрезвычайно прочной супергидрофобной поверхности, но у нас также есть способ сделать это снова с другими материалами», — сказал Теслер, который работал научным сотрудником в SEAS и Институте Висса и является первым автором статьи.
Чтобы доказать устойчивость шлейфа, исследователи провели различные тесты на его поверхности: сгибали, скручивали, опрыскивали горячей и холодной водой, а также полировали песком и сталью, чтобы поверхность не оставалась аэрофильной. Его вымачивали в воде 208 дней и сотни раз в чашках Петри с кровью. Он резко снижает рост кишечной палочки и ракушек на ее поверхности и полностью предотвращает прилипание мидий.
«Стабильность, простота и масштабируемость этой системы делают ее очень ценной для практического применения», — сказал соавтор статьи Стефан Колле, аспирант SEAS. «С помощью продемонстрированного здесь метода определения характеристик мы демонстрируем простой набор инструментов для оптимизации стабильности супергидрофобных поверхностей, что кардинально меняет область применения».
Голдман, старший автор статьи и бывший научный сотрудник Гарвардского университета, сказал, что эта сфера применения включает биомедицинские приложения для уменьшения послеоперационных инфекций или биоразлагаемые имплантаты, такие как стенты. Его также можно использовать под водой для защиты труб и датчиков от коррозии. В будущем его можно будет даже комбинировать со сверхскользкими покрытиями под названием SLIPS (пористые поверхности, наполненные жидкостью), которые Айзенберг и ее команда разработали более десяти лет назад для дополнительной защиты поверхностей от загрязнения.