Новый материал остается сухим в течение нескольких месяцев под водой

Вдохновленные водным пауком, исследователи создали новый материал, который остается сухим в течение нескольких месяцев под водой, а также значительно противостоит прилипанию бактерий и морских организмов, таких как ракушки. Они говорят, что материал легко производить, масштабировать и он имеет широкий спектр практического применения.

Исследователи во главе с Гарвардской школой инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) черпали вдохновение у водного паука для разработки металлической поверхности, которая является супергидрофобной; то есть она отталкивает воду и может оставаться сухой под водой в течение нескольких месяцев.

«Исследования биоматериалов — чрезвычайно интересная область, которая продолжает привносить в сферу искусственных материалов элегантные решения, разработанные в природе, которые позволяют нам внедрять новые материалы со свойствами, которых раньше не было», — сказала Джоанна Айзенберг, один из участников исследования.

«Наше исследование показывает, как раскрытие этих принципов может привести к разработке поверхностей, сохраняющих супергидрофобность под водой».

Argyroneta aquatica, также известный как паук-серебрянка или водяной паук, — единственный вид пауков, который, как известно, живет почти полностью под водой.

Миллионы грубых водоотталкивающих волосков задерживают воздух вокруг его тела, создавая резервуар кислорода и барьер между легкими паука и водой. Тонкий слой воздуха, задерживаемый волосами паука, называется пластроном.

В течение нескольких десятилетий ученые знали, что стабильный подводный пластрон возможен – теоретически. Однако на практике создание шероховатой поверхности, подобной той, что наблюдается у водяного паука, делает поверхность механически более слабой и восприимчивой к небольшим изменениям температуры и давления. А в предыдущих экспериментах поверхности оставались сухими всего несколько часов.

Исследователи знали, что смачивание чувствительно к свойствам поверхности на молекулярном уровне и сильно зависит от топографии поверхности. Итак, они создали аэрофильную поверхность титанового сплава, то есть такую, которая притягивает и выделяет пузырьки воздуха или газа, и создали наноразмерную шероховатость, используя электрохимическое окисление для формирования оксидного слоя и одновременное химическое растворение образовавшегося оксида.

Чтобы проверить устойчивость поверхности, ученые согнули ее, скрутили, облили горячей и холодной водой и отшлифовали песком и сталью; материал оставался аэрофильным.

Он пережил более 208 дней непрерывного погружения в воду (на момент публикации исследования пластрон все еще был погружен под воду и не показывал никаких признаков разрушения) и сотни погружений в чашку Петри, полную крови. Поверхность смогла значительно уменьшить рост бактерий E. coli и ракушек, а также полностью предотвратить прилипание мидий.

«Мы использовали метод определения характеристик, предложенный теоретиками 20 лет назад, чтобы доказать, что наша поверхность стабильна. Это означает, что мы не только создали новый тип чрезвычайно отталкивающей, чрезвычайно прочной супергидрофобной поверхности, но также можем найти путь проделать это снова с другим материалом», — сказал Александр Теслер, ведущий автор исследования.

Ученые говорят, что материал имеет множество применений. Его можно использовать в биомедицинских устройствах для уменьшения послеоперационной инфекции или для предотвращения коррозии подводных трубопроводов и датчиков.

Его также можно использовать с другим биоинспирированным материалом, разработанным командой SEAS более 10 лет назад, известным как технология скользких пористых поверхностей, наполненных жидкостью, или SLIPS.

«Стабильность, простота и масштабируемость этой системы делают ее ценной для реальных приложений», — сказал Стефан Колле, соавтор исследования. «С помощью показанного здесь подхода к определению характеристик мы демонстрируем простой набор инструментов, который позволяет оптимизировать супергидрофобную поверхность для достижения стабильности, что кардинально меняет пространство применения».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.