Con 3,5 miliardi di anni di ricerca e sviluppo alle spalle, Madre Natura potrebbe essere considerata l'ingegnere biologico più esperto del mondo. Sicuro, i suoi metodi possono sembrare a volte casuali, ma la sua esperienza nello sviluppo di organismi squisitamente adattati ai compiti loro richiesti è a dir poco sorprendente.

Un compito a cui è stata particolarmente dedicata è trovare modi per mantenere le sue creazioni pulite da detriti e contaminanti. Non sorprende quindi che gli ingegneri di oggi guardino alla natura per trovare ispirazione quando si tratta di "biofouling, "o l'accumulo indesiderato di materiale biologico, che affligge una vasta gamma di settori.

Un recente studio condotto da ricercatori della Ohio State University ha scoperto che le foglie di riso e le ali delle farfalle utilizzano alcune caratteristiche superficiali uniche che promuovono l'autopulizia. I ricercatori ritengono che incorporare alcune di queste caratteristiche nei prodotti artificiali potrebbe essere la chiave per affrontare i problemi associati al biofouling.

"La natura vivente è piena di meraviglie ingegneristiche, dalla micro alla macro scala, che hanno ispirato l'umanità per secoli, "dice Bharat Bhushan, autore senior dello studio e direttore del Nanoprobe Laboratory for Bio- and Nanotechnology and Biomimetics presso l'Ohio State University.

Tener conto di, Per esempio, che mentre una nave si impantana tra i cirripedi mentre attraversa l'oceano, uno squalo che nuota nello stesso oceano rimane pulito come un fischio. Uno dei motivi è che la pelle di squalo è composta da un tipo speciale di scaglie ricoperte da nervature che riducono l'attrito mentre lo squalo viaggia attraverso l'acqua. Attrito ridotto significa che l'acqua scorre più rapidamente sulla superficie, rendendo difficile la presa per gli autostoppisti microscopici. Questo fenomeno è chiamato effetto pelle di squalo. La foglia di loto, d'altra parte, mantiene la sua pulizia stridula con una struttura superficiale cerosa che respinge l'acqua, una proprietà chiamata superidrofobicità. In combinazione con una bassa adesione, questo è noto come effetto loto.

Lo studio del settembre 2012, pubblicato sulla rivista Materia morbida da Bhushan e dallo studente laureato in ingegneria Greg Bixler, mostra che le foglie di riso e le ali di farfalla combinano la bassa resistenza della pelle di squalo con la superidrofobicità della foglia di loto, mettendo queste superfici in cima alla lista degli autopulenti naturali.

L'idea di osservare le foglie di riso e le ali di farfalla è venuta agli investigatori dall'osservazione di queste strutture nei loro habitat naturali.

"Abbiamo notato che le gocce d'acqua sulle foglie di riso e sulle ali delle farfalle scivolano via senza sforzo, e che ciascuno rimanga pulito nel rispettivo ambiente, "dice Bhushan.

Questa osservazione ha portato gli investigatori a sospettare che, come pelle di squalo e foglie di loto, le foglie di riso e le ali di farfalla hanno proprietà particolari che le rendono particolarmente resistenti alle incrostazioni.

Prima che potessero iniziare, hanno dovuto affrontare il fatto che entrambe queste strutture sono incredibilmente delicate, rendendoli difficili da lavorare in un ambiente sperimentale. Per questa ragione, hanno iniziato creando repliche di entrambe le superfici. Il silicone è stato versato su foglie e ali reali, creando uno stampo "negativo" hanno poi usato per creare una replica in uretano più adatta ai test rigorosi che gli investigatori avevano in mente. Alcune repliche hanno anche ricevuto un rivestimento in silice per replicare le proprietà superidrofobiche delle strutture naturali.

Hanno quindi sottoposto le repliche a esperimenti progettati per determinare l'efficienza con cui si muovevano attraverso l'aria (trascinamento), quanto bene si sono liberati dei contaminanti (autopulente), quanto saldamente i contaminanti si attaccano alla superficie (adesione), e quanto bene trattengono o respingono l'acqua (bagnabilità). Come la pelle di squalo, le foglie di riso e le ali di farfalla hanno mostrato una bassa resistenza e proprietà autopulenti. Ma entrambi questi campioni erano speciali in un modo importante:mostravano proprietà simili al loto, tra cui la superidrofobicità e la bassa adesione. Questo effetto è stato amplificato nei campioni rivestiti, che ha superato i campioni non rivestiti in ogni test.

Bixler attribuisce questi risultati alla struttura unica di ogni superficie.

"Sia le foglie di riso che le ali di farfalla contengono caratteristiche di dimensioni micro e nano che respingono e dirigono l'acqua in una direzione, " dice Bixler. "Questo si ottiene con una combinazione di scanalature e dossi che sono invisibili a occhio nudo".

Dimostrando che le foglie di riso e le ali di farfalla combinano le proprietà anti-fouling di alcuni dei migliori autopulenti naturali, Bhushan e Bixler hanno identificato nuove superfici che possono essere utilizzate come ispirazione ingegneristica per un'ampia gamma di industrie afflitte dal biofouling. Prevenire l'accumulo di materia biologica sullo scafo di una nave, Per esempio, potrebbe aumentare l'efficienza del movimento della nave, portando infine a un uso più efficiente del carburante. Anche, ridurre l'accumulo di batteri e altri microbi nei tubi medici potrebbe ridurre notevolmente il rischio di infezione del paziente.

"Stiamo studiando metodi per fabbricare pellicole ispirate a foglie di riso e ali di farfalla per applicazioni che richiedono bassa resistenza, autopulente e antivegetativa, " dice Bhushan. Gli investigatori sperano che l'uso di tali film in vari settori, compresa l'assistenza sanitaria, spedizione e produzione avanzata, ridurrà i costi e migliorerà la qualità.