Attraverso lo studio delle superfici degli insetti, I ricercatori della Penn State hanno dettagliato una nanostruttura precedentemente non identificata che può essere utilizzata per progettare rivestimenti idrorepellenti più resistenti.

I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati oggi (17 luglio) in Progressi scientifici.

Con una maggiore capacità di respingere le goccioline, questo design potrebbe essere applicato ai dispositivi di protezione individuale (DPI) per resistere meglio alle particelle cariche di virus, come il COVID-19, tra le altre applicazioni.

"Negli ultimi decenni, le superfici idrorepellenti progettate in modo convenzionale sono state solitamente basate su piante, come foglie di loto, " ha detto Lin Wang, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Scienza e ingegneria dei materiali della Penn State e l'autore principale dell'articolo.

Le teorie ingegneristiche classiche hanno usato questo approccio per creare superidrofobi, o idrorepellente, superfici. Tradizionalmente, sono realizzati con texture a bassa frazione solida, che mantengono uno strato d'aria estremamente sottile al di sopra di una bassa densità di microscopici, nanostrutture simili a capelli, che i ricercatori paragonano a un tavolo da air hockey.

"Il ragionamento è se la goccia o l'oggetto galleggia sopra quell'aria, non si attaccherà alla superficie, " disse Tak-Sing Wong, il Wormley Early Career Professor di Ingegneria, professore associato di ingegneria meccanica e biomedica e consigliere di Wang.

Poiché funziona in modo efficace, i rivestimenti artificiali tendono a imitare la bassa densità di queste nanostrutture.

Però, questo documento descrive un approccio completamente diverso. Quando si esaminano superfici come l'occhio di una zanzara, corpo di un collembolo o l'ala di una cicala al microscopio elettronico ad alta risoluzione, Wang ha scoperto che i peli nanoscopici su quelle superfici sono più densamente impacchettati, indicato in ingegneria come texture ad alta frazione solida. Dopo ulteriori esplorazioni, questo significativo allontanamento dalla struttura delle piante può conferire ulteriori benefici idrorepellenti.

"Immagina di avere un'alta densità di queste nanostrutture su una superficie, "Ha detto Wang. "Potrebbe essere possibile mantenere la stabilità dello strato d'aria da forze di impatto più elevate".

Ciò potrebbe anche significare che le strutture più dense potrebbero essere in grado di respingere il liquido che si muove a una velocità maggiore, come le gocce di pioggia.

Mentre il concetto di design è nuovo per gli umani, i ricercatori teorizzano che questa nanostruttura aumenti la resilienza dell'insetto nel suo ambiente naturale.

"Per queste superfici di insetti, respingere le gocce d'acqua è una questione di vita o di morte. La forza d'impatto delle gocce di pioggia è sufficiente per portarle a terra e ucciderle, " disse Wang. "Allora, è molto importante che rimangano asciutti, e abbiamo capito come».

Con questa conoscenza raccolta dalla natura, i ricercatori sperano di applicare questo principio di progettazione per creare rivestimenti di prossima generazione. Sviluppando una superficie idrorepellente in grado di resistere a goccioline che si muovono più velocemente e a maggiore impatto, le applicazioni sono abbondanti.

Da piccolo, veicoli robotici volanti, come i droni con cui Amazon spera di consegnare i pacchi, agli aerei di linea commerciali, un rivestimento in grado di emulare queste superfici di insetti potrebbe fornire maggiore efficienza e sicurezza.

Però, alla luce della pandemia di COVID-19, da allora i ricercatori si sono resi conto che questa conoscenza potrebbe avere un ulteriore impatto sulla salute umana.

"Speriamo, quando sviluppato, questo rivestimento potrebbe essere utilizzato per i DPI. Per esempio, se qualcuno starnutisce intorno a una visiera, quelle sono goccioline ad alta velocità. Con un rivestimento tradizionale, quelle particelle potrebbero aderire alla superficie del DPI, " disse Wong. "Tuttavia, se i principi di progettazione descritti in questo documento sono stati adottati con successo, avrebbe la capacità di respingere quelle goccioline molto meglio e potenzialmente di mantenere la superficie priva di germi".

Come visto in questo lavoro, il Wong Laboratory for Nature Inspired Engineering attinge informazioni dai fenomeni biologici per rendere le innovazioni dell'umanità migliori e più efficaci.

"Anche se non immaginavamo quell'applicazione all'inizio di questo progetto, Il COVID-19 ci ha fatto pensare a come possiamo usare questo principio di progettazione a beneficio di più persone, " Ha detto Wong. "Sta a noi ingegneri prendere queste scoperte e applicarle in modo significativo".

Il prossimo passo per questo lavoro sarà lo sviluppo su larga scala, metodo conveniente in grado di produrre un rivestimento per imitare queste proprietà.

"Nel passato, non avevamo una superficie efficace in grado di respingere le gocce d'acqua ad alta velocità, " disse Wong. "Ma gli insetti ci hanno detto come. Ci sono così tanti esempi come questo in natura; dobbiamo solo imparare da loro".