A través de la investigación de las superficies de los insectos, los investigadores de Penn State han detallado una nanoestructura previamente no identificada que se puede utilizar para diseñar recubrimientos repelentes al agua más fuertes y resistentes.
Los resultados de esta investigación se publicaron hoy 17 de julio en Avances científicos
Con una capacidad mejorada para repeler las gotas, este diseño podría aplicarse al equipo de protección personal PPE para resistir mejor las partículas cargadas de virus, como COVID-19, entre otras aplicaciones.
"Durante las últimas décadas, las superficies repelentes al agua de diseño convencional generalmente se han basado en plantas, como hojas de loto", dijo Lin Wang, estudiante de doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en Penn State y autor principal delpapel.
Las teorías de ingeniería clásicas han utilizado este enfoque para crear superficies superhidrofóbicas o repelentes al agua. Tradicionalmente, se fabrican con texturas de baja fracción sólida, que mantienen una capa extremadamente delgada de aire por encima de una baja densidad de nanoestructuras microscópicas similares a pelos,que los investigadores comparan con una mesa de air hockey.
"El razonamiento es que si la gota u objeto está flotando sobre ese aire, no se pegará a la superficie", dijo Tak-Sing Wong, profesor de ingeniería de Wormley Early Career, profesor asociado de mecánica y biomedicinaingeniería y asesor de Wang.
Dado que funciona de manera efectiva, los recubrimientos hechos por el hombre tienden a imitar la baja densidad de estas nanoestructuras.
Sin embargo, este documento detalla un enfoque completamente diferente. Al examinar superficies como el ojo de un mosquito, el cuerpo de una cola de resorte o el ala de una cigarra bajo microscopios electrónicos de alta resolución, Wang descubrió que los pelos nanoscópicos en esas superficies son más densosempaquetado, denominado en ingeniería como texturas de alta fracción sólida. Tras una exploración adicional, esta desviación significativa de la estructura de las plantas puede impartir beneficios adicionales para repeler el agua.
"Imagínese si tuviera una alta densidad de estas nanoestructuras en una superficie", dijo Wang. "Podría ser posible mantener la estabilidad de la capa de aire por fuerzas de mayor impacto".
Esto también podría significar que las estructuras más densamente compactas pueden repeler el líquido que se mueve a mayor velocidad, como las gotas de lluvia.
Si bien el concepto de diseño es nuevo para los humanos, los investigadores teorizan que esta nanoestructura aumenta la resistencia del insecto en su entorno natural.
"Para estas superficies de insectos, repeler las gotas de agua es una cuestión de vida o muerte. La fuerza de impacto de las gotas de lluvia es suficiente para llevarlas al suelo y matarlas", dijo Wang. "Entonces, es realmente importante para ellosmantenerse seco, y descubrimos cómo "
Con este conocimiento extraído de la naturaleza, los investigadores esperan aplicar este principio de diseño para crear recubrimientos de próxima generación. Al desarrollar una superficie repelente al agua que pueda soportar movimientos más rápidos y gotas de mayor impacto, las aplicaciones son abundantes.
Desde pequeños vehículos robóticos voladores, como los drones con los que Amazon espera entregar paquetes, hasta aviones comerciales, un recubrimiento que pueda emular estas superficies de insectos podría proporcionar una mayor eficiencia y seguridad.
Sin embargo, a la luz de la pandemia de COVID-19, los investigadores se han dado cuenta de que este conocimiento podría tener un impacto adicional en la salud humana.
"Esperamos que, cuando se desarrolle, este recubrimiento se pueda usar para PPE. Por ejemplo, si alguien estornuda alrededor de un protector facial, esas son gotas de alta velocidad. Con un recubrimiento tradicional, esas partículas podrían adherirse a la superficie del PPE,"Dijo Wong." Sin embargo, si los principios de diseño detallados en este documento se adoptaran con éxito, tendría la capacidad de repeler esas gotas mucho mejor y potencialmente mantener la superficie libre de gérmenes ".
Como se ve en este trabajo, el Laboratorio de Wong para Ingeniería Inspirada en la Naturaleza extrae ideas de fenómenos biológicos para hacer que las innovaciones de la humanidad sean mejores y más efectivas.
"Si bien no imaginamos esa aplicación al comienzo de este proyecto, COVID-19 nos hizo pensar en cómo podemos usar este principio de diseño para beneficiar a más personas", dijo Wong. "Depende de nosotros como ingenieros tomarestos descubrimientos y aplicarlos de manera significativa "
El siguiente paso para este trabajo será desarrollar un método rentable a gran escala que pueda fabricar un recubrimiento para imitar estas propiedades.
"En el pasado, no teníamos una superficie efectiva que pudiera repeler las gotas de agua a alta velocidad", dijo Wong. "Pero los insectos nos dijeron cómo. Hay tantos ejemplos como este en la naturaleza; solo necesitamos seraprendiendo de ellos "
Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación PPG, la Cátedra Wormley Family Early Career, el Premio a la Iniciativa de Materiales Humanitarios patrocinado por Covestro y el Instituto de Investigación de Materiales en Penn State. Los contribuyentes adicionales incluyen Ruoxi Wang, una alumna de pregrado,y Jing Wang, un doctorado, ambos en el Departamento de Ingeniería Mecánica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Estado Penn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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