В создании чистящих средств инженерам поможет мать природа

В создании чистящих средств инженерам поможет мать природа

Учитывая 3,5 миллиарда лет исследований и эволюции под своим патронатом, Мать Природа может считаться самым опытным биологическим инженером в мире. Конечно, ее методы порой могут показаться бессистемными, но достижения в развитии организмов, приспособленных исключительно для определенных целей, действительно поражают.

Одной из задач, которыми природа занималась особенно плотно, является поиск способов сохранить своих созданий в чистоте от потоков мусора и загрязняющих веществ. Потому нет ничего удивительного в том, что инженеры современности обращаются именно к природе в поисках вдохновения, когда вопрос заходит о биозагрязнении, т.е. нежелательном накоплении биологических материалов – настоящей чуме для многих сфер промышленности.

Недавнее исследование, проведенное учеными из Университета штата Огайо, выявило, что листья риса и крылья бабочек демонстрируют уникальные характеристики поверхности, которые обеспечивают самоочищение. Наделяя ими изделия, изготовленные человеком, можно найти ключ к решению проблем, связанных с биозагрязнением.

«Живая природа полна инженерных чудес и в микроскопических, и в макромасштабах, которые многие столетия воодушевляют человечество», — рассказывает Бхарат Бхушан, автор исследования и директор лаборатории био- и нанотехнологий и биомиметики при Университете.

Например, тогда как корабль, пересекая океан, обрастает ракушками, акула, плавающая в том же океане, остается чистой, как стеклышко. Одна из причин в том, что ее кожа состоит из особенных чешуек с микробороздками, которые уменьшают трение во время морских путешествий, что не дает микроскопическим попутчикам зацепиться.

Это явление называется эффектом акульей кожи. А вот листья лотоса поддерживают свой безупречно чистый имидж при помощи восковой поверхности, отталкивающей воду, что известно как сверхгидрофобность.

В сочетании с низким прилипанием получаем эффект лотоса.

А вот ученые выяснили, что листья риса и крылья бабочки совмещают в себе малое сопротивление акульей кожи и сверхгидрофобность листьев лотоса, что ставит их во главе списка самоочищающихся поверхностей, созданных природой.

Идея изучить листья риса и крылья бабочек пришла ученым после наблюдения этих природных структур в естественной среде.

«Мы заметили, что капли воды легко скатываются с этих поверхностей, и они остаются чистыми в соответствующей среде», — отмечает Бхушан.

Эти наблюдения вызвали у ученых подозрение, что листья риса и крылья бабочек, как и акулья кожа и листья лотоса, обладают особенными свойствами, делающими их особенно устойчивыми к биозагрязнению.

Однако еще до начала работы с этими природными структурами исследователи столкнулись с проблемой их необычайной хрупкости, что делает эксперименты с ними сложнейшей задачей. Потому они начали с того, что создали точные копии этих поверхностей.

На листья и крылья налили силикон, сформировавший негативные отливные формы. Затем их использовали для создания уретановых моделей, которые лучше подходят для скрупулезных тестов, запланированных учеными.

Некоторые модели также были покрыты силиконом, чтобы воссоздать сверхгидрофобные свойства природных структур.

Далее ученые подвергли модели экспериментам, направленным на выяснение, насколько легко они скользят по воздуху (трение), насколько легко избавляются от загрязняющих веществ (самоочищение), насколько крепко загрязнители прилипают к поверхность (прилипание), и насколько хорошо они удерживают или отталкивают воду (смачиваемость). Как и акулья кожа, листья риса и крылья бабочки продемонстрировали низкое трение и способности к самоочищению.

Но и те, и другие образцы оказались по-своему особенными: они выявили свойства лотоса, такие как сверхгидрофобность и низкое прилипание. Этот эффект усиливался при испытаниях моделей с покрытой поверхностью, которые в каждом эксперименте превосходили необработанные варианты.

Ученые связывают результаты с уникальностью структуры этих поверхностей. И листья риса, и крылья бабочки содержат микро- и наноразмерные материалы, которые отталкивают воду в одном направлении.

Это возможно благодаря желобкам и бугоркам, невидимым невооруженным глазом.

Итак, обладая свойствами для предотвращения загрязнению, листья риса и крылья бабочки являются одними из наилучших самоочищающихся структур в природе. Ученые отмечают, что именно эти поверхности могут использоваться инженерами как основа для различных средств против биозагрязнения.

Например, предотвращение накоплению биологического материала на корпусе судна может повысить коэффициент полезного действия при его движении, что в итоге приведет к более экономному расходу топлива. Кроме того, уменьшение накопления бактерий и микробов в медицинских системах внутривенных вливаний значительно снизит риск инфицирования пациента.

«Мы ищем методы производства пленок на основе листьев риса и крыльев бабочки для применения в тех сферах, где требуется низкое трение, самоочищение и предотвращение биозагрязнению», — рассказывает Бхушан. Исследователи надеются, что использование таких пленок в различных сферах, таких как охрана здоровья, кораблестроение и перспективная технология, уменьшит затраты и повысит качество.

2015 Personality Lecture 12: Existentialism: Dostoevsky, Nietzsche, Kierkegaard


Вы прочитали статью, но не прочитали журнал…

Читайте также: