Op cicade geïnspireerde waterdichte oppervlakken dichter bij de realiteit, rapporteren onderzoekers

Een multidisciplinaire groep die de fysische en chemische eigenschappen van insectenvleugels bestudeert, heeft het vermogen aangetoond om de nanostructuren te reproduceren die cicadenvleugels helpen water af te stoten en te voorkomen dat bacteriën zich op het oppervlak vestigen. De nieuwe techniek – die commerciële nagellak gebruikt – is economisch en ongecompliceerd, en de onderzoekers zeiden dat het zal helpen bij de fabricage van toekomstige hightech waterdichte materialen.

Het team gebruikte een vereenvoudigde versie van een fabricageproces – genaamd nanoimprinting-lithografie – om een ​​sjabloon te maken van de complexe pilaarvormige nanostructuren op de vleugels van Neotibicen pruinosus, een jaarlijkse cicade die in het midden van de Verenigde Staten wordt aangetroffen. De sjablonen zijn volledig oplosbaar en produceren replica’s die gemiddeld 94,4% van de pilaarhoogte en 106% van de oorspronkelijke vleugel of de masterdiameter van de hoofdstructuur zijn, aldus de onderzoekers.

De resultaten van het onderzoek worden in het tijdschrift gepubliceerd Nano Letters.

“We kozen ervoor om met vleugels van deze cicadissoort te werken omdat ons eerdere werk aantoont hoe de complexe nanostructuren op hun vleugels een uitstekend vermogen bieden om water af te stoten. Dat is een zeer wenselijke eigenschap die nuttig zal zijn in veel materiaaltoepassingen, van vliegtuigen vleugels aan medische apparatuur, ” zei Marianne Alleyne, een professor entomologie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, die samen met Donald Cropek, van het Construction Engineering Research Laboratory van het US Army Corps of Engineers, en Nenad Miljkovic het onderzoek leidde, een professor in mechanische wetenschappen en techniek in Illinois.

Nanoimprinting-lithografie is niet nieuw, maar kan arbeidsintensief en duur zijn, aldus de onderzoekers. Sommige benaderingen gebruiken giftige materialen die het origineel gekopieerde object kunnen beschadigen, zoals een delicate cicadevleugel. Anderen vereisen hoge temperaturen die niet compatibel zijn met biologische monsters zoals planten of insecten.

“Ons proces stelt ons in staat om dit te doen in een open laboratorium bij kamertemperatuur en atmosferische druk”, aldus Cropek. “We gebruiken nagellak en ontsmettingsalcohol, die geen schade toebrengen aan de delicate vleugel-nanostructuren.”

In het laboratorium brengt het team een ​​sneldrogende nagellak rechtstreeks aan op een cicadevleugel, die vervolgens bij kamertemperatuur wordt uitgehard.

“Het was niet gemakkelijk om de juiste formule nagellak te vinden, omdat we er een willen vermijden die de sjabloon vervormt of uitrekt tijdens het verwijderen”, zei Alleyne. Eenmaal voltooid, kan de sjabloon worden gecoat met een polymeer of metaal en vervolgens worden opgelost, waardoor alleen het replicametaal of polymeer overblijft.

Om de veelzijdigheid van de nieuwe methode te laten zien, experimenteerde het team met twee zeer verschillende replicamaterialen: kopermetaal en een flexibel op silicium gebaseerd organisch polymeer genaamd PDMS.

“We hebben aangetoond dat de techniek compatibel is met fysische dampafzetting en elektrochemische afzetting van metalen, oxiden of keramiek, evenals chemische afzetting uit de dampfase en spincoating van zachtere materialen zoals polymeren,” zei Miljkovic.

“Koper is voor ons bijzonder interessant vanwege zijn inherente antimicrobiële eigenschappen, en ons eerdere werk geeft aan dat sommige cicadasoorten antimicrobiële eigenschappen op hun vleugels vertonen”, zei Alleyne. “We weten niet of het de chemicaliën op het vleugeloppervlak zijn of de fysieke nanostructuren, of een combinatie van zowel chemie als topografie, die de bacteriedodende activiteit produceren, maar als we materialen met verschillende chemie en structuren kunnen produceren, kunnen we antwoorden die fundamentele vraag. Deze nieuwe, relatief eenvoudige fabricagemethode zal ons uiteindelijk helpen bij het ontwerpen van multifunctionele technische materialen. ”