Apa kesamaan antara setelan bersepeda dan kulit hiu, serta antara kelopak mawar dan kantong plastik? Sekilas, sepertinya tidak ada kesamaan, tetapi semua objek yang berbeda ini dapat digabungkan dalam kaitannya dengan sifat permukaannya. Banyak objek yang dibuat oleh manusia dengan satu atau lain cara mengulangi sifat permukaan yang ditemukan di alam. Namun, proses pembuatan objek semacam itu sebagian besar dibatasi oleh sifat-sifat material yang mendasarinya. Secara struktural, logam dan polimer berbeda dalam banyak hal dari biomaterial; oleh karena itu, sangat sulit untuk meniru sifat-sifatnya. Namun demikian, para ilmuwan dari University of Iowa (AS) memutuskan untuk menggunakan mikrostruktur kelopak mawar sebagai inspirasi untuk mengubah logam, yang sangat mengubah sifat-sifatnya. Bagaimana tepatnya logam itu diubah,apa yang dilakukan untuk ini dan bagaimana kelopak bunga yang mulia membantu dalam hal ini? Kami akan menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.
Dasar penelitian
Di alam, tidak ada yang terjadi begitu saja. Prinsip yang sama berlaku untuk berbagai jenis permukaan yang dapat kita temukan di alam. Perwakilan flora dan fauna selama ratusan ribu tahun telah mengalami segala macam perubahan yang diperlukan untuk beradaptasi dengan kondisi habitat.
Phyllocrania paradoxa, Nautilus pompilius, Cataglyphis bombycina.
Berkat evolusi, seseorang memperoleh kemampuan untuk menjadi hampir tidak terlihat oleh musuh (meniru mantis Phyllocrania paradoxa , yang terlihat seperti daun kering), seseorang memperoleh baju besi yang tahan lama (cangkang di moluska Nautilus pompilius ), dan seseorang belajar bertahan bahkan dalam kondisi yang paling buruk. (reflektifitas tinggi tubuh semut Cataglyphis bombycinatinggal di Gurun Sahara), dll.
Masing-masing contoh adaptasi di atas merupakan konsekuensi dari ciri struktural dan sifat permukaan. Masuk akal jika para ilmuwan dengan senang hati menerapkan karakteristik unik seperti itu di dunia kita, tetapi ini sangat sulit. Proses merekonstruksi sifat-sifat biomaterial disebut biomimikri, dan sering dikaitkan dengan pemrosesan suatu bahan secara kimiawi atau fisik, yang memungkinkannya untuk mengubah strukturnya sampai batas tertentu. Misalnya, etsa digunakan untuk membuat permukaan ultra- atau superhydrophobic pada bahan padat, yang membutuhkan reagen agresif dan peralatan mahal, belum lagi spesialis terlatih dan berpengalaman.
Dalam beberapa tahun terakhir, proses partikel logam supercooling menjadi sangat populer. Partikel lunak polidispersi ( inti-cangkang * ) dari logam cair super dingin (ULMCS) yang tersuspensi dalam pelarut memungkinkan untuk mencapai pengemasan padat dan penyortiran sendiri partikel menjadi tekstur permukaan multiskala, seperti kelopak mawar ( 1a - 1b ).
Partikel inti-cangkang * - sebuah partikel, inti dan cangkangnya berbeda dalam komposisi, morfologi, dan tujuan fungsional.
Gambar # 1
Setelah pengendapan dan penguapan pelarut, partikel lunak cenderung membentuk struktur pengepakan tertutup acak (RCP) dan terjebak pada rasio pengepakan ∅ = 0,64. Faktor pengepakan ditentukan oleh rasio ∅ = NV 0 / V, di mana N adalah jumlah partikel; V 0 - volume partikel; V adalah volume total.
Selain itu, dengan adanya struktur dan saluran multiskala pada permukaan mawar ( 1a ), partikel-partikel ini akan mengalami proses penyaringan sendiri, yang difasilitasi oleh perakitan kapiler sendiri. Setelah mengering dan mencapai keadaan pendulum, partikel-partikel tersebut pada akhirnya akan menetap sendiri dan terjebak di retakan tekstur permukaan ( 1b ).
Kemacetan terjadi ketika ukuran rongga antar partikel, konsentrasi suspensi dan ukuran partikel memenuhi hubungan berikut: di
mana R adalah jari-jari kapiler; r adalah jari-jari partikel; n adalah jumlah partikel.
Persamaan ini memprediksi ukuran ( r ) atau jumlah ( n ) partikel yang dibutuhkan untuk terjebak untuk ukuran depresi tertentu ( R ).
Jamming juga memastikan bahwa partikel ULMCS yang disimpan distabilkan secara mekanis dan oleh karena itu dapat disinter * ke dalam jaringan yang sesuai dari templat permukaan yang diinginkan ( 1c - 1d ).
Sintering * adalah proses pembuatan material berpori dan padat dari partikel bubuk atau debu kecil dengan meningkatkan suhu dan / atau tekanan.Penerapan sintering kimia dingin dan pengikatan serta pengawetan partikel ULMCS yang terperangkap menghasilkan struktur yang mengeras yang dapat dihilangkan dari kelopak mawar (atau bahan dasar lunak serupa) tanpa merusaknya. Proses ini juga kompatibel dengan motif sintetis, sensitif panas, dan lembut * seperti PDMS (polydimethylsiloxane / (C 2 H 6 OSi) n ) ( 1e ).
Motif * adalah urutan pendek nukleotida atau asam amino yang sedikit berubah selama evolusi.Ketika struktur biomimetik terbalik diterapkan pada bahan elastomer di mana partikel ULCMS dikemas dan disinter secara kimiawi, replika yang tepat dari pola alami terwujud ( 1f - 1j ).
Dengan demikian, struktur logam padat biomimetik dapat diproduksi tanpa pemanasan melalui penggunaan proses otonom seperti penyegelan kapiler, gangguan kinetika (hipotermia), dan perakitan sendiri / penyortiran sendiri partikel.
Hasil penelitian
Partikel logam polidispersi ULMCS (51% In + 32.5% Bi + 16.5% Sn) disintesis menggunakan metode SLICE (pemisahan cairan menjadi partikel kompleks dari geser cairan menjadi partikel kompleks ).
Proses SLICE dapat menghasilkan partikel <10 nm, tetapi untuk meningkatkan self-filtration dan kemudahan karakterisasi, studi ini memutuskan untuk menggunakan ukuran yang lebih besar (μm) dan polidispersitas yang lebih tinggi. Partikel yang digunakan dalam penelitian ini memiliki diameter 2,71 ± 1,58 µm, oleh karena itu faktor packing yang diprediksikan adalah sekitar ∅ = 0,70.
ULMCS lunak yang dapat dideformasi ini, seperti yang diharapkan, membentuk struktur yang lebih padat daripada pengemasan dekat acak yang diamati dengan bidang keras (∅ = 0,64). Densifikasi kemungkinan disebabkan oleh perubahan bentuk di bawah aksi tekanan kapiler dan tatanan dimensi otonom, yang meningkatkan densifikasi. Namun, proses ini dapat terganggu oleh tekanan eksternal selama pengendapan partikel.
Untuk menyelidiki efek dari proses deposisi pada kepadatan pengepakan, para ilmuwan menjalankan beberapa siklus dengan berbagai tingkat tegangan geser yang diterapkan (F s ). Partikel-partikel itu diaplikasikan pada templat biologis (kelopak mawar) dan dihilangkan dengan pita tembaga, menciptakan struktur logam biomimetik, meskipun dengan relief terbalik.
Gambar No. 2
Dalam gambar 2a, 2d dan 2g secara skematis menggambarkan berbagai metode pengendapan dalam kisaran nilai F rendah (aplikasi dengan sikat) hingga F tinggi (sentrifugasi) dan tanpa F (sputtering). Metode penyemprotan memberikan jumlah F minimum karena partikel disimpan tegak lurus dengan permukaan kelopak.
Penyikatan langsung ( 2a ) menghasilkan nilai F rendah pada suspensi partikel selama pengendapan, menghasilkan pola tebal (> 10 μm), multi-lapisan (> 7 lapis) ( 2b - 2c ). Metode ini adalah yang termudah untuk diterapkan, tetapi bukan yang paling sesuai, karena memerlukan partisipasi langsung manusia, yang ingin dihindari oleh para ilmuwan.
Sentrifugasi sedimentasi pada 1000 rpm (2d ) memungkinkan untuk proses lebih terkendali dan direproduksi, karena tingkat deposisi, dan karenanya F s nilai , bisa diperbaiki. Namun, metode ini memotong lapisan terluar dari partikel yang diendapkan, menghasilkan film yang sedikit lebih tipis (<10 μm, ~ 4-5 lapisan; 2e - 2f ) dibandingkan dengan film yang disikat.
Anehnya, sentrifugasi memberikan penyaringan sendiri yang sedikit lebih baik, seperti yang ditunjukkan oleh ukuran offline di lapisan atas struktur yang ditinggikan (ditandai dengan warna merah pada 2c dan 2f ).
Tapi penyemprotan ( 2g) memberikan film yang jauh lebih tipis (~ 3 lapisan) dengan cacat / delaminasi yang signifikan ( 2 jam - 2i ). Ini mungkin karena masalah dengan pemompaan partikel logam yang cukup padat dari sistem semprotan tangan, yang cenderung mengendapkan partikel yang semakin sedikit. Deposisi partikel yang lebih besar dalam larutan semprot juga dapat berkontribusi pada konsentrasi rendah dan selektivitas ukuran, sehingga pembentukan film yang lebih tipis.
Dalam kasus bahan granular, penyaringan sendiri dapat menghasilkan pengemasan yang lebih baik ke fitur permukaan, menghasilkan pengemasan yang lebih sesuai pada skala ukuran yang berbeda. Filtrasi mandiri memanifestasikan dirinya dalam distribusi ukuran partikel di lapisan paling atas dari partikel yang masuk.
Membandingkan distribusi ukuran partikel dari partikel yang telah disiapkan sebelumnya dengan yang tersimpan paling dalam di celah kelopak mawar (yaitu, mewakili lapisan paling atas dari struktur logam), terjadi pergeseran yang signifikan. Dalam suspensi awal polidispersi, koefisien asimetri positif yang besar diamati, sedangkan dalam partikel yang diendapkan, partikel yang lebih besar disaring ( 2j - 2m ).
Menyesuaikan Gaussian dengan distribusi ukuran partikel dari lapisan paling atas menunjukkan bahwa saat menggunakan kuas, partikel akan menjadi yang terbesar (~ 5 μm), diikuti oleh sentrifugasi (~ 4 μm) dan sputtering (~ 3 μm).
Analisis yang lebih dalam dari tiga metode pengendapan partikel menunjukkan bahwa sentrifugasi adalah yang paling cocok, meskipun asimetri relatif kecil. Dalam kasus metode lain, sejumlah masalah diamati: kemasan kapiler rendah dalam kasus penyemprotan; kemasan yang baik, tetapi skalabilitas buruk dalam hal menggunakan kuas.
Mengenai pilihan metode pengendapan partikel pada kelopak mawar (yaitu metode mereplikasi mikrostrukturnya dengan partikel logam), perlu juga untuk menilai derajat kebetulan dari struktur asli dan cetakan. Perbandingan menunjukkan bahwa semua elemen yang diperoleh dari mawar merah berukuran rata-rata dengan urutan sebagai berikut: kuas> sentrifugasi> semprotan. Namun, dalam semua kasus, ukuran elemen struktur cukup mirip satu sama lain (20 μm), yaitu dalam aspek ini, salah satu metode dapat digunakan.
Gambar №3
Selanjutnya, para ilmuwan memulai penilaian lengkap terhadap karakteristik BIOMAP ( BIOmimetic MetAl Patterning ), yaitu sistem logam biomimikrik.
Selama percobaan praktis, dua jenis mawar yang terkait erat digunakan:
- ( 1) a1 = 21.68 ± 3.32 (3);
- Peace ( 2) a2 = 26.63 ± 4.00 (3b);
Aplikasi dengan sentrifugasi suspensi awal yang sama ke kelopak yang dibuat serupa dilakukan untuk menangkap perbedaan pola ini.
Sebagai hasil dari aplikasi partikel dengan sentrifugasi pada mawar 1, diperoleh pola dengan diameter elemen hotel a 1 '= 19,85 ± 3,82 μm ( 3b - 3c ), yaitu deviasi ~ 2 μm dari pola aslinya. Perbedaan 10% dapat disebabkan oleh deformasi fitur permukaan kelopak di bawah aksi tekanan kapiler dan / atau berat partikel yang diendapkan.
Untuk mawar 2, ukuran rata-rata elemen pola partikel yang diterapkan adalah 2 '= 23.23 ± 3.98 μm ( 3e - 3f), yaitu penyimpangan dari aslinya sekitar 3 mikron. Perbedaan ini juga dicatat sebagai pergeseran dalam nilai rata-rata Gaussian dari histogram yang diperoleh ( 3g - 3 jam ).
Bentuk partikel yang tersebar dari kelopak dan permukaan BIOMAP sangat mirip, yang menunjukkan replikasi yang baik. Namun, kemiringan dan kurtosis menegaskan bahwa perubahan halus yang dijelaskan di atas (penyimpangan) adalah kesalahan sistematis (3i).
Secara alami, harus dicatat bahwa semua pola BIOMAP yang dihasilkan (ditandai dengan "-") adalah kebalikan dari aslinya (kelopak mawar, ditandai dengan "+"), meskipun dengan tingkat replikasi yang tinggi. Untuk mendapatkan pola yang sama seperti pada petal, pertama-tama perlu dilakukan replika menggunakan elastomer PDMS, kemudian dari "impresi" ini dibuat salinannya menggunakan BIOMAP. Secara kasar, untuk mendapatkan cetakan kelopak mawar yang identik (bukan cermin), Anda perlu melakukan prosedur dua kali (mereka yang terbiasa memasak tahu cara mengeluarkan kue dari cetakan menggunakan dua piring).
Gambar # 4
Gambar di atas menunjukkan tingkat ketepatan BIOMAP dalam membuat pola mawar sintetis. Pertama, template utama / draf (-) dibuat dengan secara akurat memberikan kesan PDMS dari permukaan kelopak mawar ( 4a). Cetakan PDMS kemudian diisi dengan partikel ULMCS, yang kemudian disinter dengan CUPACT dan sampelnya dibuang ( 4b - 4c ). Hasilnya adalah sampel akhir (+) ULMCS, meskipun dengan celah yang lebih besar antara fitur permukaan dibandingkan dengan bunga mawar ( 3a ), karena retensi kebulatan partikel setelah CUPACT.
Terlepas dari keterbatasan dalam menciptakan permukaan halus yang terus menerus, metode ini menunjukkan analog terdekat dari permukaan mawar ( 4b), dibuat dengan menggunakan prinsip kimia fisik dan kinetika kimia. Selain tekstur permukaan yang baru, juga jelas bahwa salinan permukaan kelopak logam (-) yang diembos dapat digunakan sebagai cetakan untuk membuat analog elastomer dari kelopak mawar, karena gaya kapiler akan mencegah elastomer kental yang tidak terikat silang dari penetrasi melalui jaringan pori.
Untuk menguji teori ini, elemen logam (-) diisi dengan PDMS ( 4d ), setelah itu diperoleh pola relief (+), mirip dengan kelopak mawar ( 4e - 4f ).
Ketika logam digunakan untuk mendapatkan salinan, penyimpangan dalam dimensi elemen yang dihasilkan dari aslinya diamati sekitar 10%. Tetapi dalam kasus di mana logam digunakan sebagai cetakan untuk membuat elemen PDMS, perubahan dimensi yang signifikan tidak diamati.
Terlepas dari semua perbedaan antara salinan dan aslinya, nilai pembasahan * dari permukaan asli dan replika cukup mirip (perbandingan hidrofobisitas pada 4g ).
Pembasahan * - interaksi zat cair dan permukaan zat padat atau zat cair lainnya.Kelopak mawar bersifat ultrahidrofobik dengan sudut kontak rata-rata 133,1 ± 5,0 °, sedangkan salinan biomimetik, sampel (+) ULMCS ( 4b ), memberikan sudut kontak rata-rata * 138,7 ± 14,7 °. Replika PDMS menunjukkan sudut kontak yang lebih kecil.
Sudut pembasahan (sudut kontak) * - sudut antara garis singgung yang ditarik ke permukaan cairan dan permukaan padat. Parameter ini menentukan interaksi antarmolekul partikel permukaan benda padat dengan zat cair.Partikel CUPACT yang disinter non-tekstur (CAP pada 4g ) dan partikel PDMS digunakan sebagai kelompok kontrol selama analisis (garis putus-putus pada 4g ).
Tetesan pada permukaan non-tekstur dari partikel yang disinter, perlahan berdifusi ke permukaan berpori, menunjukkan hidrofobisitas sementara. Agaknya, sedikit hidrofobisitas yang diamati pada lapisan partikel yang disinter ini disebabkan oleh adanya ligan permukaan berujung metil yang digunakan untuk menstabilkan ULCMS.
Untuk lebih membandingkan pembasahan antara sampel biomimetik dan alami, tetesan yang terletak di pola BIOMAP dimiringkan ( 4b) untuk mensimulasikan efek kelopak. Seperti yang diharapkan, tetesan melekat ke permukaan, meskipun dengan histeresis sudut kontak yang besar saat sudut kemiringan meningkat (4 jam dan video di bawah).
Demonstrasi sifat basah kelopak mawar dan replika logam.
Untuk pengenalan yang lebih mendetail tentang nuansa penelitian ini, saya sarankan agar Anda melihat laporan ilmuwan dan bahan tambahan padanya.
Epilog
Dalam pekerjaan ini, para ilmuwan mampu membuat pola logam biomimetik berdasarkan substrat lunak (yaitu kelopak mawar). Unsur-unsur yang diproduksi sepenuhnya meniru biosimilar baik dalam struktur maupun dalam sifat pembasahan, meskipun dengan penyimpangan kecil, artefak dari metode pemrosesan BIOMAP dan asimetri pada sifat material.
Jika kita menyederhanakan keseluruhan studi menjadi satu kalimat, maka para ilmuwan dapat membuat kesan kelopak mawar dari partikel logam. Replika yang dihasilkan memiliki sifat yang sama dengan aslinya. Perhatian khusus harus diberikan pada hidrofobisitas bahan yang dikembangkan, yang sebelumnya dicapai dengan metode yang jauh lebih kompleks dan mahal.
Struktur yang dibuat memiliki kekuatan dan daya tahan logam dan hidrofobisitas kelopak mawar yang halus. Hibridisasi properti ini memungkinkan terciptanya berbagai varian material, memperluas cakupan aplikasinya. Menurut para ilmuwan, pengembangannya dapat digunakan di berbagai industri, mulai dari kedokteran (replikasi struktur nanometrik untuk menggantikan bagian yang rusak lebih lanjut) hingga industri penerbangan (perawatan sayap pesawat untuk mengurangi lapisan es selama penerbangan).
Bagaimanapun, alam sekali lagi menunjukkan bahwa ini adalah sumber inspirasi yang hampir tidak ada habisnya, tidak hanya bagi seniman yang menciptakan lanskap indah, tetapi juga bagi ilmuwan yang menciptakan perangkat dan sistem yang luar biasa.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga minggu kerja Anda bagus, guys. :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan memesan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. sekelas dengan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9000 untuk satu sen?