Команда разработала супергидрофобную поверхность, которая может оставаться сухой в течение нескольких месяцев под водой

Вид пауков всю свою жизнь живет под водой несмотря на то, что их легкие могут дышать только атмосферным кислородом. Как он это делает? У этого паука, известного как Argyroneta aquatica, миллионы грубых водоотталкивающих волосков, которые удерживают воздух вокруг его тела, создавая резервуар кислорода и выступая в качестве барьера между легкими паука и водой.

Этот тонкий слой воздуха называется пластроном, и на протяжении десятилетий ученые-материалисты пытались использовать его защитный эффект. Это может привести к созданию подводных супер гидрофобных поверхностей, способных предотвратить коррозию, рост бактерий , прилипание морских организмов, химическое загрязнение и другие вредные воздействия жидкости на поверхности. Но пластроны оказались крайне нестабильными под водой: в лаборатории они сохраняли поверхность сухой всего на несколько часов.

Теперь группа исследователей во главе с Гарвардской школой инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS), Институтом биологической инженерии Висса в Гарварде, Университетом Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг в Германии и Университетом Аалто в Финляндия разработала супер гидрофобную поверхность со стабильным пластроном, который может сохраняться под водой месяцами.

Общая стратегия команды по созданию долговечных подводных супер гидрофобных поверхностей, которые отталкивают кровь и резко уменьшают или предотвращают прилипание бактерий и морских организмов, таких как ракушки и мидии, открывает ряд применений в биомедицине и промышленности.

Исследование опубликовано в Nature Materials .

«Исследования биоматериалов — чрезвычайно интересная область, которая продолжает привносить в сферу искусственных материалов элегантные решения, разработанные в природе, которые позволяют нам внедрять новые материалы со свойствами, которых раньше не было», — сказала Джоанна Айзенберг, профессор Amy Smith Berylson. Доктор материаловедения, профессор химии и химической биологии SEAS и соавтор статьи. «Это исследование показывает, как раскрытие этих принципов может привести к разработке поверхностей, сохраняющих супер гидрофобность под водой».

Исследователи уже 20 лет знали, что стабильный подводный пластрон теоретически возможен, но до сих пор не смогли доказать это экспериментально.

Одна из самых больших проблем с пластронами заключается в том, что для формирования им нужна шероховатая поверхность , как, например, у волос Argyroneta aquatica. Но эта шероховатость делает поверхность механически нестабильной и восприимчивой к любому небольшому изменению температуры, давления или малейшему дефекту.

Современные методы оценки искусственно созданных супергидрофобных поверхностей учитывают только два параметра, которые не дают достаточной информации об устойчивости воздушного пластрона под водой. Айзенберг, Яакко В.И. Тимонен и Робин Х.А. Рас из Университета Аалто, а также Александр Б. Теслер и Вольфганг Х. Гольдманн из FAU и их команды определили большую группу параметров, включая информацию о шероховатости поверхности, гидрофобности поверхностных молекул, покрытии пластронов . , углы контакта и многое другое, что в сочетании с термодинамической теорией позволило им выяснить, будет ли воздушный пластрон стабильным.

С помощью этого нового метода и простой технологии производства команда разработала так называемую аэрофильную поверхность из широко используемого и недорогого титанового сплава с долговечным пластроном, который сохранял поверхность сухой на тысячи часов дольше, чем в предыдущих экспериментах, и даже дольше, чем в предыдущих экспериментах. пластроны живых существ.

«Мы использовали метод определения характеристик, предложенный теоретиками 20 лет назад, чтобы доказать, что наша поверхность стабильна. Это означает, что мы не только создали новый тип чрезвычайно отталкивающей, чрезвычайно прочной супер гидрофобной поверхности, но также можем найти путь «Проделать это снова с другим материалом», — сказал Теслер, бывший научный сотрудник SEAS и Института Висса и ведущий автор статьи.

Чтобы доказать стабильность пластрона, исследователи пропустили поверхность через кольцо: сгибали ее, скручивали, обливали горячей и холодной водой, а также шлифовали песком и сталью, чтобы поверхность оставалась аэрофильной. Он пережил 208 дней погружения в воду и сотни погружений в чашку Петри с кровью. Это значительно уменьшило рост кишечной палочки и ракушек на ее поверхности и полностью остановило прилипание мидий.

«Стабильность, простота и масштабируемость этой системы делают ее ценной для реальных приложений», — сказал Стефан Колле, аспирант SEAS и соавтор статьи. «С помощью показанного здесь подхода к определению характеристик мы демонстрируем простой набор инструментов, который позволяет оптимизировать супергидрофобную поверхность для достижения стабильности, что кардинально меняет пространство вашего применения».

По словам Гольдманна, старшего автора статьи и бывшего научного сотрудника Гарварда, эта сфера применения включает биомедицинские приложения , где его можно использовать для уменьшения инфекции после операции или в качестве биоразлагаемых имплантатов, таких как стенты. Он также включает подводные применения, где он может предотвратить коррозию трубопроводов и датчиков. В будущем его можно будет даже использовать в сочетании со сверхскользким покрытием, известным как SLIPS, скользкими пористыми поверхностями, наполненными жидкостью, разработанными Айзенберг и ее командой более десяти лет назад, чтобы еще больше защитить поверхности от загрязнения.

Дополнительная информация: Александр Б. Теслер и др., Долгосрочная стабильность аэрофильных металлических поверхностей под водой, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01670-6

Предоставлено Гарвардской школой инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона.