Воспроизведение структуры птичьих перьев с помощью резиновых наноструктур

Прочитано: 164 раз(а)


Восточная синяя птица – особенная птица. Синий цвет его перьев уникален. Однако этот цвет основан не на пигментах, а на особой структуре пера. Если посмотреть под микроскопом, перья пронизаны сетью каналов диаметром всего несколько сотен нанометров.

Синий цвет синей птицы привлек внимание исследователей ETH Zurich из Лаборатории мягких и живых материалов под руководством бывшего профессора ETH Эрика Дюфрена. Настолько, что они решили воспроизвести этот материал в лаборатории. Теперь им удалось добиться успеха с помощью нового метода: они разработали материал, который имеет ту же структуру, что и перья синей птицы, но при этом предлагает потенциал для практического применения благодаря своим наносетям.

Воспроизведено с натуры

В качестве исходного материала исследователи использовали прозрачную силиконовую резину , которую можно растягивать и деформировать. Ученые поместили этот каучук в масляный раствор и оставили его набухать на несколько дней в духовке при температуре 60 градусов по Цельсию. Затем они охладили его и извлекли каучук из маслянистого раствора.

Исследователи смогли наблюдать под микроскопом, как менялась наноструктура каучука во время процедуры, и они идентифицировали сетевые структуры, аналогичные тем, которые придают перу синей птицы синий цвет . Основное различие заключается в толщине образующихся каналов: птичье перо составляет около 200 нанометров, а синтетический материал — 800 нанометров.

Принципом формирования сети является разделение фаз. Это явление можно наблюдать на кухне, используя заправку для салата из масла и уксуса. Смешать две жидкости непросто, и лучше всего это сделать энергичным встряхиванием. Жидкости снова разделяются, как только встряхивание прекращается.

Однако их также можно смешать путем нагревания, а затем снова охладить для разделения. Именно этот принцип исследователи применили для смешивания силиконовой резины и масляного раствора. В результате внутри резины образовалась целая микроскопическая сеть каналов.

Ведущий автор Карла Фернандес Рико говорит: «Мы можем контролировать и выбирать условия таким образом, чтобы каналы образовывались во время разделения фаз. Нам удалось остановить процедуру до того, как две фазы снова полностью сольются друг с другом». Это каналообразное строение очень похоже на строение перьев птиц.

Преимущество этого нового метода в том, что размер нового материала составляет несколько сантиметров и его можно масштабировать. «В принципе, вы можете использовать кусок резинового пластика любого размера. Однако тогда вам также потребуются соответствующие большие контейнеры и духовки», — говорит Фернандес Рико.

Новизна этого метода обработки материалов вызывает большой интерес в физическом сообществе. «У нас есть простая система, состоящая всего из двух ингредиентов, но полученная конечная структура очень сложна и зависит от свойств ингредиентов», — говорит Фернандес Рико. «К нам обратились несколько теоретических групп, которые предлагают использовать физические модели, чтобы понять ключевые физические принципы этого нового процесса и предсказать его результат».

Увеличенный срок службы батареи и улучшенная фильтрация.

Новый материал предлагает потенциал для технического и устойчивого применения. Батареи – одна из возможных областей применения. Ионы в батареях обычно перемещаются между электродами через жидкость, называемую электролитом. Одна из основных причин, по которой батареи со временем теряют свою зарядную способность или даже выходят из строя, заключается в том, что ионы вступают в реакцию с жидким электролитом, в результате чего два электрода устанавливают физический контакт и повреждают батарею.

Жидкие электролиты могут быть заменены твердыми электролитами с сетевой структурой взаимосвязанных каналов — например, той, которую продемонстрировали исследователи ETH Zurich, которая позволит избежать физического контакта между электродами, сохраняя при этом хороший транспорт ионов через батарею.

Фильтры для воды могут быть еще одним применением. Здесь выгодны хорошие транспортные свойства по взаимосвязанным каналам и большие площади поверхности. Отношение поверхности к объему в случае каналообразных структур огромно. Это позволяет эффективно удалять из воды такие загрязнения, как бактерии и другие частицы.

Развитие исследований в направлении устойчивого развития

«Однако продукту еще далеко до выхода на рынок», — говорит Фернандес Рико. «Хотя каучуковый материал дешев и его легко получить, масляная фаза довольно дорога. Здесь потребуется менее дорогая пара материалов».

Фернандес Рико желает развивать свои будущие исследования с целью обеспечения устойчивого развития: «Многие природные полимеры, такие как целлюлоза или хитин, имеют структуру, аналогичную каучуку, используемому в нашей работе». Однако работа с натуральным материалом, таким как целлюлоза, (более) экологически безопасна, чем с силиконовыми каучуками, полученными из нефти. Поэтому постдокторант-исследователь желает в будущем выяснить, как такие материалы можно сделать более функциональными, чтобы реализовать их потенциал.

Воспроизведение структуры птичьих перьев с помощью резиновых наноструктур



Новости партнеров