Κυριακή, 4 Ιανουαρίου 2015

Μαθαίνοντας από την φύση (υπερυδρόφοβα φύλλα λωτού)


Μαθαίνοντας από την φύση (υπερυδρόφοβα φύλλα λωτού)
 

Η φύση διακατέχεται από υλικά, αντικείμενα και διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στον μικρόκοσμο και στον νανόκοσμο. Για να αντιληφθούμε καλύτερα για τι είδους διαστάσεις μιλάμε, αρκεί να αναφέρουμε ότι μια τρίχα από τα μαλλιά μας έχει πάχος περίπου 100 μικρόμετρα ενώ ο ιός της γρίπης για παράδειγμα έχει μέγεθος γύρω στα 100 νανόμετρα. Τις τελευταίες δεκαετίες η ανάπτυξη της επιστήμης, και συγκεκριμένα του κλάδου της νανοτεχνολογίας, μας έχει δώσει την δυνατότητα να δημιουργούμε υλικά και δομές με ακρίβεια μερικών νανόμετρων χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές. Έχοντας αυτή την δυνατότητα είμαστε σε θέση να αντιγράψουμε μερικούς από τους θαυματουργούς μικροσκοπικούς μηχανισμούς της φύσης και να τους χρησιμοποιήσουμε προς όφελος μας.

Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι τα φύλλα του λωτού. Τα φύλλα του λωτού έχουν την ιδιότητα να απωθούν το νερό. Σε περίπτωση βροχής μπορεί κάποιος να παρατηρήσει το σφαιρικό σχήμα που αποκτούν οι σταγόνες νερού πάνω σε αυτά τα φύλλα, οι οποίες εν συνεχεία εύκολα κυλούν πάνω στην επιφάνεια του φύλλου. Στην κίνηση τους αυτή, οι σταγόνες παρασύρουν διάφορες ουσίες που εναποτίθενται στην επιφάνεια των φύλλων όπως σκόνη ή άλλους μικροοργανισμούς που μπορούν να εμποδίσουν την λειτουργία του φυτού. Που όμως οφείλεται αυτός ο αμυντικός μηχανισμός του λωτού; Άραγε θα μπορούσαμε να τον μιμηθούμε και να φτιάξουμε τεχνητά υλικά τα οποία να είναι επίσης υπερυδρόφοβα και να αυτοκαθαρίζονται;

Σταγόνες νερού στα υπερυδρόφοβα φύλλα λωτού με το χαρακτηριστικό τους σφαιρικό σχήμα

Αν παρατηρήσουμε τα φύλλα ενός λωτού χρησιμοποιώντας ένα υψηλής ευκρίνειας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, θα παρατηρήσουμε ότι έχουν μια ιδιαίτερη επιφάνεια που συνδυάζει μικροσκοπικά εξογκώματα σε μια διάταξη όπου έχουν περίπου σταθερή απόσταση το ένα από το άλλο. Παρατηρώντας ακόμα πιο προσεκτικά μπορούμε να δούμε ότι καθένα από αυτά τα εξογκώματα είναι επικαλυμμένο με κερώδης νανοκρυστάλλους. Το κερί είναι από την φύση του ένα υδρόφοβο υλικό. Στην περίπτωση όμως του λωτού, η υδρόφοβη ιδιότητα του κεριού συνδυάζεται με την μοναδική μορφολογία της επιφάνειας του φύλλου. Οι μικρο- και νανο-
δομές που περιγράψαμε προηγουμένως αυξάνουν την αλληλεπίδραση μεταξύ υδρόφοβης επιφάνειας και νερού με αποτέλεσμα την δημιουργία ενός υπερυδρόφοβου υλικού όπου οι σταγόνες πάνω σε αυτό έχουν σχήμα σχεδόν σφαιρικό, ενώ μπορούν να κυλάνε στην επιφάνεια όταν αυτή έχει κλίση ακόμα και μικρότερη από 5°.
Μικροδομές (α) και νανοδομές (β) στην επιφάνεια ενός φύλλου λωτού. Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης [1].

Οι επιστήμονες, εμπνευσμένοι από τις φυσικές ιδιότητες του λωτού, έχουν κατασκευάσει με διάφορες τεχνικές (λιθογραφία, σπρέι μιγμάτων πλαστικών με νανοσωματίδια, κτλ.) επιφάνειες που προσπαθούν να μιμηθούν αυτή την μοναδική ιδιότητα. Οι τεχνητές αυτές επιφάνειες είναι ήδη πραγματικότητα και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως αδιάβροχα, αυτοκαθαριζόμενα και αντιβακτηριακά υλικά και υφάσματα, φίλτρα που καθαρίζουν το νερό από λάδια, επιφάνειες που δυσκολεύουν την δημιουργία πάγου κτλ.

 Τεχνητή υπερυδρόφοβη επιφάνεια. Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης [2]. 


Τα φύλλα του λωτού και οι μοναδικές τους ιδιότητες είναι άλλη μια απόδειξη ότι για την εξέλιξη μας ως είδος αρκεί να παρατηρήσουμε και να καταλάβουμε καλύτερα τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα γύρω μας εδώ και εκατομμύρια χρόνια. 

Αρκεί να παρατηρήσουμε και να κατανοήσουμε την φύση.




Για την ομάδα ΙΧΝΕΥΤΑΙ:

Αθανάσιος Μηλιώνης, Ph.D.
Επιστημονικός Συνεργάτης
Department of Mechanical and Aerospace Engineering
University of Virginia
Charlottesville, United States
Email: am2vy@virginia.edu

 

Αναφορές
[1] Bhushan B, Jung YC (2006) Micro and nanoscale characterization of hydrophobic and hydrophilicleaf surface. Nanotechnology 17:2758–2772
[2] Milionis A, Ruffilli R, Bayer IS, Dominici L, Fragouli D, Athanassiou A (2014) Local Wetting Modification on Carnauba Wax‐Coated Hierarchical Surfaces by Infrared Laser Treatment, Advances in Contact Angle, Wettability and Adhesion, Volume 001, 227-241

0 σχόλια :

Δημοσίευση σχολίου