Per anni, gli scienziati sono stati ispirati dalla natura per innovare soluzioni a problemi difficili, persino le fuoriuscite di petrolio, disastri causati dall'uomo con devastanti conseguenze ambientali ed economiche. Un nuovo studio USC prende spunto dalla struttura fogliare per fabbricare materiale in grado di separare olio e acqua, che potrebbe portare a metodi di pulizia delle fuoriuscite di petrolio più sicuri ed efficienti.

Inoltre, il materiale è in grado di "manipolazione di microgoccioline, " o il trasferimento di volumi in miniatura di liquido. La microfluidica basata su goccioline è uno strumento utilizzato in varie applicazioni come colture cellulari, sintesi chimica e sequenziamento del DNA.

Utilizzando la stampa 3D, Il professore associato Yong Chen e il suo gruppo di ricerca presso la Daniel J. Epstein School of Industrial and Systems Engineering presso la USC Viterbi School of Engineering hanno imitato con successo un fenomeno biologico nelle foglie delle piante chiamato "effetto Salvinia". Il loro studio si concentra su una felce galleggiante originaria del Sud America chiamata Salvinia molesta. Le foglie uniche sono super-idrofobiche, significa "paura dell'acqua" e trattengono una sacca d'aria circostante quando sono immersi nell'acqua a causa della presenza di peli resistenti all'acqua.

"Penso che il motivo per cui la superficie della pianta è super idrofoba sia perché vive sull'acqua e richiede aria per sopravvivere, "Yang Yang, un ricercatore post-dottorato nel team di Chen, disse. "Se non fosse per l'evoluzione a lungo termine di questa pianta, la pianta potrebbe essere immersa nell'acqua e morire".

Struttura idrorepellente

A livello microscopico, i peli delle foglie si allineano in una struttura che ricorda un frullino per le uova, o frusta da cucina. Chen spiega che la superficie fogliare di Salvinia è composta da questa cosiddetta struttura a "frullino per le uova" che è super idrofoba.

Utilizzando un metodo chiamato stampa 3D ad accumulo di superficie immersa (stampa ISA-3D), il team di ricerca ha creato con successo la microstruttura del frullino per le uova in campioni realizzati con plastica e nanotubi di carbonio. Chen spiega che il metodo ha permesso al team di dimostrare la fabbricazione di un materiale con proprietà sia superidrofobiche che olefile (assorbenti l'olio) che, quando combinato, generano forze capillari in grado di separare olio e acqua in modo altamente efficiente.

"Abbiamo cercato di creare una struttura superficiale funzionale che fosse in grado di separare l'olio dall'acqua, " Chen ha detto. "Fondamentalmente, abbiamo modificato la superficie dei materiali utilizzando un approccio di stampa 3D che ci ha aiutato a ottenere alcune proprietà superficiali interessanti".

Il team ha stampato in 3D un prototipo, citando una crescente domanda di materiali in grado di separare efficacemente le miscele di olio e acqua in vasti corpi idrici. Infine, sperano che la tecnologia possa essere applicata per produrre materiali su larga scala per far fronte a massicce fuoriuscite di petrolio nell'oceano. I metodi attuali richiedono un'enorme energia sotto forma di campo elettrico o pressione applicata meccanicamente.

Applicazione di microfluidica

L'"effetto Salvinia" ha anche il potenziale per la tecnologia di gestione dei liquidi che esegue la "manipolazione di microgoccioline", una svolta in cui l'adesione del liquido a un braccio robotico può essere regolata di conseguenza e comportare un trasferimento senza perdite per quantità molto piccole di liquido. La tecnica può essere applicata in una miriade di modi, alcuni dei quali includono microreattori a base di goccioline (dispositivi utilizzati nella sintesi chimica), sintesi di nanoparticelle, Ingegneria dei tessuti, scoperta di farmaci e monitoraggio della somministrazione di farmaci.

Xiangjia Li, uno studente di dottorato del team di Chen e co-primo autore dello studio, afferma che un esempio di manipolazione di microgoccioline ad alte prestazioni potrebbe portare a analisi del sangue più efficienti per i pazienti. Una pinza robotica potrebbe spostarsi in diverse stazioni ed erogare microgoccioline di sangue che vengono poi miscelate uniformemente con diverse sostanze chimiche per vari test. Inoltre, i test potrebbero essere progettati per controllare il rapporto tra sostanza chimica e gocciolina e portare a una conservazione significativa delle materie prime e dei reagenti chimici.

"Puoi avere un braccio robotico con una pinza fatta per imitare l'effetto Salvinia, '" disse Li. "Non importa in che modo muovi il braccio, la forza di presa è così grande che una goccia rimarrà attaccata."

Guidato da Chen, il gruppo di ricerca comprendeva anche Yang, Li, Professor Qifa Zhou del Dipartimento di Ingegneria Biomedica, e gli studenti laureati Xuan Zheng e Zeyu Chen. Il loro studio intitolato "Struttura super idrofobica biomimetica stampata in 3D per la manipolazione di microgoccioline e la separazione olio/acqua" è stato pubblicato nel vol. 30, Numero di marzo 2018 di Materiale avanzato .