通過(guò)對(duì)昆蟲表面的調(diào)查，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員詳細(xì)描述了一個(gè)以前無(wú)法識(shí)別的納米結(jié)構(gòu)，該納米結(jié)構(gòu)可用于設(shè)計(jì)更堅(jiān)固，更具彈性的拒水涂層。

這項(xiàng)研究的結(jié)果今天(7月17日)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

具有增強(qiáng)的防滴能力，此設(shè)計(jì)可應(yīng)用于個(gè)人防護(hù)設(shè)備(PPE)，以更好地抵抗病毒載帶的顆粒，例如COVID-19等。

“在過(guò)去的幾十年中，常規(guī)設(shè)計(jì)的水排斥表面也通常是基于植物，像荷葉，”林旺，材料科學(xué)與工程學(xué)院在賓夕法尼亞州立大學(xué)系的博士生論文的主要作者。

經(jīng)典的工程理論已使用這種方法來(lái)創(chuàng)建超疏水或疏水表面。傳統(tǒng)上，它們是用低固含量的質(zhì)地制造的，這種質(zhì)地在低密度的微觀，毛狀納米結(jié)構(gòu)之上保持了極薄的??空氣層，研究人員將其比作冰球臺(tái)。

“原因是，如果液滴或物體漂浮在空氣上方，它就不會(huì)粘在表面上，” Wormley早期工程學(xué)教授，機(jī)械與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)副教授Tak-Sing Wong說(shuō)。王的顧問(wèn)。

由于人造涂層有效地起作用，因此它們傾向于模仿這些納米結(jié)構(gòu)的低密度。

但是，本文詳細(xì)介紹了一種完全不同的方法。在高分辨率電子顯微鏡下檢查蚊子的眼睛，跳尾的身體或蟬的翅膀等表面時(shí)，Wang發(fā)現(xiàn)，這些表面上的納米級(jí)毛發(fā)密度更高，在工程學(xué)中被稱為高固體分質(zhì)地。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的探索，這種與植物結(jié)構(gòu)的明顯偏離可能會(huì)帶來(lái)額外的拒水益處。

“想像一下，如果您在表面上具有高密度的這些納米結(jié)構(gòu)，”王說(shuō)。“有可能通過(guò)更高的沖擊力來(lái)保持空氣層的穩(wěn)定性。”

這也可能意味著堆積更密集的結(jié)構(gòu)可能能夠排斥以更高速度運(yùn)動(dòng)的液體，例如雨滴。

盡管設(shè)計(jì)概念對(duì)人類來(lái)說(shuō)是陌生的，但研究人員認(rèn)為這種納米結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)昆蟲在自然環(huán)境中的適應(yīng)能力。

王說(shuō)：“對(duì)于這些昆蟲表面而言，排斥水滴是生死攸關(guān)的問(wèn)題。雨滴的撞擊力足以將其帶到地面并殺死它們。”“因此，對(duì)他們而言保持干燥真的很重要，我們想出了辦法。”

有了從自然界中獲得的知識(shí)，研究人員希望將這種設(shè)計(jì)原理應(yīng)用于下一代涂料。通過(guò)開發(fā)可以承受更快的運(yùn)動(dòng)和更高的沖擊滴的憎水表面，應(yīng)用變得十分豐富。

從小型飛行機(jī)器人車輛(例如亞馬遜希望與之一起運(yùn)送包裹的無(wú)人機(jī))到商用客機(jī)，可以模仿這些昆蟲表面的涂層可以提高效率和安全性。

但是，鑒于COVID-19大流行，研究人員此后意識(shí)到這種知識(shí)可能會(huì)對(duì)人類健康產(chǎn)生額外影響。

“我們希望，這種涂層在開發(fā)時(shí)可以用于PPE。例如，如果有人在面罩周圍打噴嚏，那是高速液滴。使用傳統(tǒng)涂層，這些顆?？赡軙?huì)粘在PPE的表面。” Wong說(shuō)過(guò)。“但是，如果成功采用本文詳述的設(shè)計(jì)原理，它將能夠更好地排斥這些液滴，并有可能保持表面無(wú)菌。”

從這項(xiàng)工作中可以看出，黃大自然啟發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室從生物學(xué)現(xiàn)象中汲取了見識(shí)，使人類的創(chuàng)新更好，更有效。

Wong說(shuō)：“雖然我們?cè)陧?xiàng)目開始之初就沒(méi)有想到該應(yīng)用程序，但是COVID-19讓我們思考了如何使用該設(shè)計(jì)原理使更多人受益。”“作為工程師，我們需要掌握這些發(fā)現(xiàn)并以有意義的方式應(yīng)用它們。”

這項(xiàng)工作的下一步將是開發(fā)一種大規(guī)模，經(jīng)濟(jì)高效的方法，該方法可以制造一種模仿這些特性的涂層。

Wong說(shuō)：“過(guò)去，我們沒(méi)有有效的表面可以排斥高速水滴。”“但是昆蟲告訴了我們?cè)趺醋?。自然界有如此多的例?我們只需要向他們學(xué)習(xí)。”