Questa è un'illustrazione che mostra uno schema di superficie scivolosa e le sue caratteristiche di respingere molti fluidi presenti sulla terra (come simboleggiato dalla terra riflessa sulla goccia di liquido). Credito:per gentile concessione di James C. Weaver e Peter Allen.
Dopo una pioggia, la foglia a coppa di una pianta carnivora diventa una superficie virtualmente priva di attrito. Profumato ed elegante, il carnivoro attira le formiche, ragni, e anche piccole rane. Uno per uno, scivolano verso il loro destino.
Adottando la brillante strategia dell'impianto, un gruppo di scienziati applicati ad Harvard ha creato un materiale che respinge praticamente qualsiasi tipo di liquido, compreso sangue e olio, e lo fa anche in condizioni difficili come alta pressione e temperature di congelamento.
La tecnologia di repellenza ai liquidi ispirata alla bio, descritto nel numero del 22 settembre di Natura , dovrebbe trovare applicazioni nella manipolazione dei fluidi biomedicali, trasporto di carburante, e tecnologie antivegetativa e antighiaccio. Potrebbe persino portare a finestre autopulenti e dispositivi ottici migliorati.
"Ispirato alla pianta carnivora, abbiamo sviluppato un nuovo rivestimento che supera le sue controparti naturali e sintetiche e fornisce una soluzione semplice e versatile per la repellenza di liquidi e solidi, ", afferma l'autrice principale Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson Professore di Scienza dei Materiali presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Direttore del Kavli Institute for Bionano Science and Technology ad Harvard, e un membro della facoltà principale presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ad Harvard.
Al contrario, le attuali superfici idrorepellenti all'avanguardia hanno preso spunto da un altro membro del mondo vegetale. Le foglie del loto resistono all'acqua grazie alle minuscole microtrame sulla superficie; le goccioline si bilanciano sul cuscino d'aria sulle punte della superficie e si accumulano.
Il cosiddetto effetto loto, però, non funziona bene per liquidi organici o complessi. Inoltre, se la superficie è danneggiata (es. graffiato) o soggetto a condizioni estreme, le gocce di liquido tendono ad attaccarsi o affondare nelle trame piuttosto che rotolare via. Finalmente, si è dimostrato costoso e difficile produrre superfici basate sulla strategia del loto.
La pianta carnivora ha un approccio fondamentalmente diverso. Invece di usare una bava, nanostrutture riempite d'aria per respingere l'acqua, la pianta si blocca in uno strato d'acqua, creando un rivestimento liscio sulla parte superiore. In breve, il fluido stesso diventa la superficie repellente.
"L'effetto è simile a quando un'auto idrovola, le gomme scivolano letteralmente sull'acqua piuttosto che sulla strada, ", afferma l'autore principale Tak-Sing Wong, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Aizenberg. "Nel caso delle formiche sfortunate, l'olio sul fondo dei loro piedi non si attaccherà al rivestimento scivoloso della pianta. È come l'olio che galleggia sulla superficie di una pozzanghera".
Questo è uno schema che mostra la produzione della superficie porosa infusa di liquido sdrucciolevole (SLIPS). Credito:per gentile concessione di Peter Allen e James C. Weaver.
Ispirato all'elegante soluzione della pianta carnivora, gli scienziati hanno progettato una strategia per creare superfici scivolose infondendo un materiale poroso nano/microstrutturato con un fluido lubrificante. Chiamano le superfici di ispirazione biologica risultanti "SLIPS" (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces).
"Come la pianta carnivora, Gli SLIP sono scivolosi per gli insetti, ma ora sono progettati per fare molto di più:respingono un'ampia varietà di liquidi e solidi, " afferma Aizenberg. Gli SLIP non mostrano praticamente alcuna ritenzione, poiché è necessaria una minima inclinazione per indurre il liquido o il solido a scivolare giù e fuori dalla superficie.
"La superficie fluida repellente offre ulteriori vantaggi, in quanto intrinsecamente liscio e privo di difetti, " dice Wong. "Anche dopo aver danneggiato un campione raschiandolo con un coltello o una lama, la superficie si ripara quasi istantaneamente e le qualità repellenti rimangono, rendendo SLIPS auto-guarigione." A differenza del loto, gli SLIPS possono essere resi otticamente trasparenti, e quindi ideale per applicazioni ottiche e autopulenti, superfici chiare.
Inoltre, l'effetto quasi privo di attrito persiste in condizioni estreme:alte pressioni (fino a 675 atmosfere, equivalente a sette chilometri sotto il mare) e umidità, e a temperature più fredde. Il team ha condotto studi all'esterno dopo una tempesta di neve; SLIPS ha resistito alle temperature gelide e ha persino respinto il ghiaccio.
"Non solo la nostra superficie di ispirazione biologica è in grado di funzionare in una varietà di condizioni, ma è anche semplice ed economico da produrre, ", afferma il coautore Sung Hoon Kang, un dottorato di ricerca candidato nel laboratorio di Aizenberg. "È facilmente scalabile perché puoi scegliere praticamente qualsiasi materiale poroso e una varietà di liquidi."
Per vedere se la superficie era veramente all'altezza degli alti standard della natura, hanno anche fatto alcuni esperimenti con le formiche. Nei test, gli insetti scivolarono fuori dalla superficie artificiale o si ritirarono su un terreno più sicuro dopo solo pochi timorosi passi.
I ricercatori prevedono che la tecnologia ispirata alle piante carnivore, per il quale stanno cercando un brevetto, potrebbe un giorno essere utilizzato per i tubi di trasporto del carburante e dell'acqua, e tubi medici (come cateteri e sistemi di trasfusione di sangue), che sono sensibili al trascinamento e alla pressione e sono compromessi da interazioni indesiderate liquido-superficie. Altre potenziali applicazioni includono finestre e superfici autopulenti che resistono ai batteri e ad altri tipi di incrostazioni (come l'accumulo che si forma sugli scafi delle navi). Il progresso può anche trovare applicazioni in materiali resistenti al ghiaccio e può portare a superfici antiaderenti che respingono impronte digitali o graffiti.
"La versatilità di SLIPS, la loro robustezza e capacità unica di autoripararsi rende possibile progettare queste superfici per l'uso quasi ovunque, anche in condizioni estreme di temperatura e pressione, " says Aizenberg. "It potentially opens up applications in harsh environments, such as polar or deep sea exploration, where no satisfactory solutions exist at present. Everything SLIPS!"
