在自然界,借助有织纹的表面构造,一些植物可以诱捕昆虫和花粉,某些昆虫可以在水面上行走,而壁虎可以在墙上爬行。在更大的尺度上模仿这些特征,就可以激发新的技术突破,在可再生能源和药物研究领域都是这样。
10月10日《自然·材料》杂志刊登的一篇文章介绍,有一个研究小组就做这样的研究,小组成员来自宾夕法尼亚州立大学、海军研究实验室和哈佛大学医学院,他们说,已经开发出一种经遗传工程改造的薄膜,可以模仿水黾等昆虫的天然技能,在水面上行走,也可模仿蝴蝶摔掉翅膀上的水。
虽然超疏水性(superhydrophobic)自洁表面是一个活跃的研究领域,但这样的研发还是标志着遗传工程技术上的一个突破,从此就可以控制液体传递的方向性。需要使用的一个矩阵是由聚乙烯纳米棒(poly-xylylene:聚乙烯-亚二甲苯基)组成,这种纳米棒的合成是采用自下而上的气相技术,这样,研究人员就能够把水滴锁定在一个方向,这当然需要巨大的附着力,这种附着力与纳米棒的数量和表面张力成正比,而松开水滴是向着相反的方向。
锁定力与释放力之间的差别是80微牛顿(micronewtons),十倍于已见报的其他工程设计表面的测量值,那些表面结构具有棘齿状特征,而他们的薄膜表面是第一款纳米尺度设计制作的表面结构。最近,作者也说明了这类表面的定向附着力和摩擦力,类似于壁虎爬墙的方式(《应用物理学》2010年)。壁虎的脚每平方毫米大约含有400万根绒毛,而聚合物纳米棒每平方毫米可以放置4000万根。
这种纳米薄膜的制备所采用的技术,叫做斜角沉积法,可形成一种微观尺度的光滑表面,这表面传递微小水滴,也不需要泵或光波,而且变形最小,可用于自驱动的微流控设备,适用于医学和微观组装领域。
这项工作是由美国海军支持的,纳米薄膜计划被用作涂料,这将减少对装置外壳的拉力,减少积垢。与工业和能源相关的潜在应用,有定向注射器、流体二极管、无泵数字流控元件,可以提高微晶片的热冷却效率,也可涂在轮胎上,甚至可实现用降雨发电。
宾州州立大学研究小组的领导麦立科·德米里尔(Melik Demirel)是工程科学与力学副教授,也是论文的通信作者,他认为,目前实验室使用的气相技术,尽管相对简单,但还是需要真空管,可以取而代之是液相技术,这一技术可以规模化生产他们的材料,达到产业规模。“我们的方法,主要影响是我们第一次创造了一种可控制定向的表面,而且是在纳米尺度,”Demirel总结说。
新材料可实现水面行走
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