Gli squali in natura nuotano ad alta velocità nelle profondità dell'oceano grazie alla loro elevata capacità di riduzione della resistenza. I flussi d'acqua attorno alla pelle dello squalo vengono interrotti da strutture su microscala sfalsate e sovrapposte chiamate denticoli. Oltre a questa ruvidità superficiale, l'acqua scivola su un'interfaccia fluido-solido con molteplici micronervature simili a solchi sui singoli microdenticoli.
Inoltre, la pelle di squalo presenta un'elevata resistenza alla penetrazione grazie alla sua struttura a quattro strati, dallo smalto al derma. Ci sono gradienti meccanici a strati da duro a morbido dall'esterno all'interno della pelle di squalo.
Questa pelle di squalo unica e funzionale che si trova in natura motiva questo studio, pubblicato in Advanced Materials , il primo a microfabbricare microdenticoli tridimensionali (3D) sovrapposti con microriblets affilati. La pelle di squalo artificiale 3D è stata in grado di ottenere molteplici funzionalità imitando le caratteristiche morfologiche e materiali della pelle di squalo naturale.
Sono stati condotti molti studi precedenti per sviluppare una pelle di squalo artificiale che imita la pelle di squalo naturale con vantaggi funzionali. Tuttavia, è stato difficile formare una morfologia sovrapposta 3D mantenendo la forma delle microriblets sui microdenticoli. La deformazione termica indesiderata continua a essere un problema per i microdenticoli a base polimerica disposti periodicamente con spazi stretti.
Per risolvere questo problema, Wie e i suoi colleghi hanno fabbricato microdenticoli con struttura a coste utilizzando un composito di particelle magnetiche e polimeri elastomerici. Successivamente, i microdenticoli 3D sono stati indotti a piegarsi fino a sovrapporsi l'uno all'altro sotto un campo magnetico esterno.
Sebbene si tratti di un concetto interessante, è necessario fissare la forma di questa sovrapposizione magnetica per funzionalizzare la pelle di squalo sotto la rimozione del campo magnetico. "Abbiamo recentemente sviluppato una strategia chimica per fissare la forma per fabbricare pelle di squalo sovrapposta sfalsata in 3D", ha affermato Jeong Jae Wie, professore presso il Dipartimento di ingegneria organica e nanometrica dell'Università di Hanyang.
"I microdenticoli devono essere azionati in direzione opposta per rivestire un sottile strato di resina liquida di polimero sulla pelle di squalo. Dopo aver cambiato l'attuazione in direzione in avanti, un sottile strato di polimero viene polimerizzato, completando la microfabbricazione della pelle di squalo artificiale 3D con sovrapposizione magnetica immobilizzata ," ha detto Jeong Eun Park, uno dei primi autori dello studio pubblicato.
"Un punto unico di questo lavoro è la capacità della loro pelle di squalo artificiale in 3D di dimostrare molteplici funzionalità mentre altri studi sono stati in grado di documentare solo una o due caratteristiche", ha affermato il collaboratore di Wie, Seung Goo Lee dell'Università di Ulsan.
Il gruppo di ricerca ha prima dimostrato la riduzione della resistenza aerodinamica, una funzionalità rappresentativa della pelle di squalo naturale. La pelle di squalo artificiale 3D con idrofobicità riduce la resistenza quando l'acqua scorre nella direzione frontale delle microriblets.
"Nella nostra pelle di squalo idrofobica, bolle d'aria di dimensioni microscopiche sono intrappolate tra microdenticoli sovrapposti, causando lo scivolamento dello strato d'acqua sulle bolle d'aria", ha aggiunto il collaboratore di Wie, Rhokyun Kwak dell'Università di Hanyang.
Oltre a questa funzionalità di riduzione della resistenza, la loro pelle di squalo artificiale 3D mostra un basso attrito quando si gratta il campione in direzione frontale e un'elevata robustezza meccanica con recupero strutturale, grazie all'architettura di microdenticoli sovrapposti sfalsati.
"È interessante notare che queste funzionalità potrebbero essere migliorate rivestendo la pelle di squalo meccanicamente morbida a base di polimeri con uno strato sottile su scala nanometrica di materiale meccanicamente fragile. Questo concetto è motivato dalla struttura a strati duro-morbida della pelle di squalo naturale", ha aggiunto Wie.
"In genere, la pellicola meccanicamente morbida ha un elevato attrito superficiale contro il contatto con gli ostacoli circostanti. Tuttavia, in questo lavoro, il coefficiente di attrito diminuisce quando si riveste la pelle di squalo con una ceramica sottile perché caratteristiche dure e flessibili coesistono su questa pelle di squalo a tre strati", ha spiegato Wie. collaboratore, Sanha Kim dell'Istituto Avanzato Coreano di Scienza e Tecnologia.
Successivamente, il team di Wie ha rivestito la pelle di squalo a tre strati con un metallo sottile. In un test di indentazione, la pelle di squalo a quattro strati ha mostrato una maggiore durezza e lavoro recuperabile, rispetto alla pelle di squalo polimerica non rivestita. Soprattutto per quanto riguarda il recupero strutturale, "il lavoro recuperabile può essere immagazzinato nei microdenticoli piegati mentre i sottili strati di materiali meccanicamente fragili possono aumentare l'energia di deformazione elastica della pelle di squalo artificiale 3D", ha aggiunto Kim.
Inoltre, per le applicazioni elettroniche microstrutturate, quando la pelle di squalo a base polimerica è rivestita con un materiale MXene elettricamente conduttivo, ha una bassa resistenza elettrica di 5,3 Ω.
"La pelle di squalo rivestita in MXene consente il riscaldamento joule ad alta temperatura anche quando viene applicata una bassa tensione (ad esempio, 230°C a 2,75 V). Inoltre, a causa dell'idrofilicità del materiale MXene, anche le proprietà bagnanti della pelle di squalo cambiano da idrofobiche a idrofile ," ha detto il collaboratore di Wie, Tae Hee Han dell'Università di Hanyang.
"Questa ricerca è la prima a riferire sulle molteplici funzionalità dimostrabili dalla pelle di squalo artificiale in 3D, con molte potenziali applicazioni in una varietà di campi", ha affermato Lee. Ad esempio, se la tecnologia di questa pelle di squalo artificiale multifunzionale dovesse essere utilizzata nel settore marittimo, si potrebbe ottenere efficienza economica riducendo il consumo di carburante e aumentando la durata della nave.
"Per quanto riguarda le applicazioni future, ci si può aspettare che le navi dotate della nostra pelle di squalo artificiale 3D navighino velocemente con una resistenza ridotta, meno attrito a contatto con gli ostacoli circostanti e meno danni derivanti da impatti esterni nell'oceano", ha aggiunto Wie.
Ulteriori informazioni: Jeong Eun Park et al, Programmazione della funzionalità anisotropa di microdenticoli 3D mediante microarchitetture sfalsate e sovrapposte e multistrato, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202309518
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dall'Università di Hanyang
