Исследовательская группа из Университета RMIT в Мельбурне, Австралия, разработала новую технологию нанесения покрытия, которая использует высокочастотные звуковые волны для распыления жидкостей в капли аэрозоля микронного размера, образуя однородный и плотный «невидимый защитный слой» на различных тонких поверхностях без нагревания и повреждения подложки. Исследователи впервые применили этот метод к листьям комнатного растения Потос (Epipremnum aureum), эффективно блокируя вредные ультрафиолетовые (УФ) лучи, не влияя на фотосинтез, ярко демонстрируя его мягкую, но очень эффективную способность защищать «хрупкие живые организмы».
Суть этой работы заключается в использовании технологии акустической микрофлюидики (акустомикрофлюидики) для управления жидким предшественником так, чтобы он растягивался и «ломался» на поверхности крошечного чипа, который может генерировать сверхвысокочастотные звуковые волны около 10 МГц, образуя нежное аэрозольное облако. Когда эти капли летят по воздуху и осаждаются на целевой поверхности, они самоорганизуются в своего рода ковалентный органический каркасный материал (COF), образуя защитное покрытие толщиной всего в микроны, но имеющее непрерывную структуру и четко определенные функции. Этот интегрированный процесс «распыление + образование пленки» может быть завершен при комнатной температуре и давлении на открытом воздухе. Он не требует высоких температур, длительных реакций или строгих лабораторных условий, обычно используемых в традиционных процессах нанесения покрытий, что значительно снижает требования к материалам и окружающей среде.
Ковалентные органические каркасы представляют собой тип высокопористых и кристаллически упорядоченных материалов, часто описываемых как «молекулярные каркасы» с наноразмерными отверстиями. Они могут быть структурно спроектированы для выполнения нескольких функций, таких как поглощение света, улавливание определенных химических веществ или защита поверхностей. Однако в прошлых приложениях процесс создания COF был чрезвычайно «придирчивым»: обычно требуется, чтобы прекурсоры вступали в реакцию при высоких температурах в течение длительного времени, процесс сложен, а условия суровы. Его трудно масштабировать, и он не подходит для использования на чувствительных материалах, таких как листья растений и гибкие пленки. Исследовательская группа отметила, что в традиционных процессах часто необходимо сделать трудный выбор между «сохранением упорядоченной структуры материала» и «избежанием повреждения поверхности с покрытием», и платформа звукового распыления предлагает новый способ решить эту дилемму.
В этом эксперименте исследователи использовали листья растений в качестве тестовых объектов для проверки эффективности покрытия на реальных биологических поверхностях: покрытие COF может избирательно поглощать вредные ультрафиолетовые лучи, позволяя при этом свободно проходить видимому свету, позволяя растениям продолжать фотосинтез. Эксперимент показал, что в течение всего процесса нанесения покрытия, УФ-облучения и последующего удаления покрытия листья не показали явных признаков повреждения в течение испытательного периода (60 дней), что подчеркивает баланс между защитным действием и биосовместимостью этого «звукового солнцезащитного спрея». Исследовательская группа рассматривает это как «доказательство концепции» и считает, что эта платформа имеет потенциал для продвижения и применения в более реальных интерфейсах, устройствах и биологических системах.
С технической точки зрения акустическая микрофлюидная платформа имеет конструкцию уровня чипа, которая имеет небольшой размер и легкий вес. Принцип работы заключается в непрерывном растяжении и разделении протекающей через него жидкости-предшественника на стабильные мелкие капли посредством сверхвысокочастотных акустических вибраций, генерируемых на поверхности чипа. При нанесении на различные поверхности эти капли тумана обеспечивают бережное и тщательно контролируемое нанесение покрытия даже на такие тонкие ткани, как бумажные полотенца. Исследователи подчеркнули, что этот метод объединяет «изготовление» и «покрытие» в один этап, не требует дополнительного нагрева или сложного экологического контроля и имеет очевидные преимущества с точки зрения упрощения процесса и сферы применения.
Что касается перспектив применения, исследовательская группа уделяет больше внимания возможному использованию покрытий COF в высокочувствительных материалах и устройствах нового поколения, включая текстиль, пластик, стекло, электронные устройства на основе кремния и т. д. Многие новые электронные продукты, датчики и мембранные материалы чрезвычайно чувствительны к температуре и не могут противостоять традиционным процессам нанесения покрытий. Однако им срочно необходимы защитные слои поверхности, чтобы противостоять свету, коррозии или химическому воздействию. Технология звукового распыления заполняет этот технологический пробел. Ученые, участвовавшие в исследовании, отметили, что этот метод значительно расширяет возможности COF от лабораторных материалов до практического применения, открывая новую ситуацию для их использования в защите окружающей среды, функциональных покрытиях и биотехнологиях.
С точки зрения масштабируемости, исследовательская группа считает, что эта акустическая платформа на уровне чипа очень подходит для интеграции с беспилотными системами для выполнения сложных задач по распылению на больших площадях. Благодаря миниатюризации и низкой стоимости устройства платформу можно устанавливать на дроны или автономные транспортные средства для точного покрытия сельскохозяйственных культур или лесных листьев, обеспечивая крупномасштабную «защиту от солнца с фиксированной точкой» или другое функциональное распыление на открытом воздухе. В сочетании с преимуществами крупномасштабного производства, обеспечиваемыми нанопроизводством, исследователи ожидают, что эта технология будет широко применяться в будущих приложениях биотехнологии и экологической инженерии.
В настоящее время на эту технологию подана предварительная заявка на патент в Австралии, а соответствующие исследовательские работы опубликованы в академическом журнале «Science Advances». Исследовательская группа заявила, что они будут дополнительно оценивать стабильность и долговечность покрытия в условиях длительного воздействия в естественной среде, а также изучать его практические решения в области защиты электронных устройств, химических защитных пленок и других чувствительных интерфейсов. Хотя на вопросы о стойкости к атмосферным воздействиям еще предстоит ответить, этот новый метод производства и нанесения покрытий, основанный на звуковых волнах, продемонстрировал потенциальную возможность разрушить существующие технологические парадигмы.