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蚊子眼的纳米结构有助于增强防水涂层的设计

研究人员推测,一种模仿这种独特纳米结构的涂层可以改善防毒面具的性能。

通过对昆虫表面的调查,宾夕法尼亚州立大学的研究人员详细描述了一种以前未被识别的纳米结构,可以用来设计更强、更有弹性的防水涂层。

这项研究的结果发表在今天(7月17日)的《科学进展》杂志上。

这种设计增强了对飞沫的排斥能力,可以应用于个人防护设备(PPE),以更好地抵御病毒颗粒,如COVID-19等。

在过去的几十年里,传统设计的防水表面通常是基于植物,比如荷叶,宾夕法尼亚州立大学(Penn State)材料科学与工程系博士生、该论文的第一作者王林(Lin Wang)说。

经典的工程理论已经使用这种方法来制造超疏水的表面。传统上,它们是用低固体分数的纹理制造的,在一个低密度的微观的毛发状纳米结构之上保持一层极薄的空气,研究人员将其比作空气曲棍球台。

其原因是,如果液滴或物体漂浮在空气上方,它就不会粘在空气表面上。王德成说,他是该校工程学早期职业教授、机械与生物医学工程副教授,也是王德成的顾问。

由于它的有效性,人造涂层倾向于模仿这些纳米结构的低密度。

然而,本文详细介绍了一种完全不同的方法。在高分辨率电子显微镜下观察蚊子的眼睛、弹尾虫的身体或蝉的翅膀等表面时,王发现这些表面上的纳米级绒毛密度更大,在工程学中称为高固体分数纹理。经过进一步的探索,这与植物的重大背离。结构可能会带来额外的排水好处。

想象一下,如果在一个表面上有高密度的这些纳米结构,王说。在较大的冲击力的作用下,可以保持空气层的稳定性。

这也可能意味着密度更大的结构可能会排斥速度更快的液体,比如雨滴。

虽然这种设计理念对人类来说是全新的,但研究人员认为,这种纳米结构可以增强昆虫在自然环境中的弹性。

对于这些昆虫的表面来说,排斥力是生死攸关的问题。雨滴的冲击力足以把它们带到地面并杀死它们。王说。所以,让它们保持干燥非常重要,我们找到了方法。

研究人员希望利用从自然中获得的知识,将这一设计原则应用到下一代涂料中。通过开发一种防水表面,可以承受更快的移动和更高的冲击水滴,应用是丰富的。

从小型的、会飞的机器人交通工具(比如亚马逊希望用来运送包裹的无人机)到商用客机,一种能够模仿这些昆虫表面的涂层可以提高效率和安全性。

然而,鉴于COVID-19大流行,研究人员此后认识到这方面的知识可能对人类健康产生额外影响。

我们希望,当开发出来后,这种涂料可以用于个人防护装备。例如,如果有人在面罩周围打喷嚏,这些是高速飞沫。使用传统的涂层,这些颗粒可以附着在PPE的表面。Wong说。但是,如果采用本文详细的设计原理,它将有更好的排斥这些液滴的能力,并可能保持表面无菌。

正如在这项工作中所看到的,王氏自然工程实验室从生物现象中汲取灵感,使人类的创新更好、更有效。

虽然在项目开始时我们还没有想到这一应用,但COVID-19让我们思考如何利用这一设计原则来造福更多人,Wong说。把这些发现用有意义的方式加以应用,取决于我们作为工程师。

这项工作的下一步将是开发一种大规模的、经济有效的方法来制造一种涂层来模拟这些特性。

在过去,我们没有一个有效的表面可以击退高速的水滴,Wong说。但是昆虫告诉我们怎么做。自然界中有很多这样的例子;我们只需要从他们身上学习。

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参考译文:2020年7月17日,科学进步。

这项研究由国家科学基金会,PPG基金会,沃利家族早期职业教授,由Covestro和宾夕法尼亚州立大学材料研究所赞助的人道主义材料倡议奖资助。其他贡献者包括本科毕业生王若希(Ruoxi Wang)和博士毕业生王静(Jing Wang),两人都在机械工程系。

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