Qu'est-ce qui est commun entre une combinaison cycliste et une peau de requin, et entre un pétale de rose et un sac en plastique? À première vue, il ne semble pas y avoir de points communs, mais tous ces objets dissemblables peuvent être combinés en fonction des propriétés de leurs surfaces. De nombreux objets créés par l'homme, d'une manière ou d'une autre, répètent les propriétés des surfaces trouvées dans la nature. Cependant, le processus de fabrication d'un tel objet est largement limité par les propriétés du matériau sous-jacent. Structurellement, les métaux et les polymères diffèrent à bien des égards des biomatériaux, il est donc extrêmement difficile d'imiter leurs propriétés. Néanmoins, des scientifiques de l'Université de l'Iowa (USA) ont décidé d'utiliser la microstructure du pétale de rose comme source d'inspiration pour transformer le métal, ce qui modifie considérablement ses propriétés. Comment exactement le métal a été changé,qu'est-ce qui a été fait pour cela et comment les pétales de la fleur noble y ont-ils contribué? Nous trouverons des réponses à ces questions dans le rapport des scientifiques. Aller.
Base de recherche
Dans la nature, rien ne se passe comme ça. Le même principe s'applique à différents types de surfaces que l'on peut rencontrer dans la nature. Les représentants de la flore et de la faune depuis des centaines de milliers d'années ont subi toutes sortes de changements nécessaires pour s'adapter aux conditions de l'habitat.
Phyllocrania paradoxa, Nautilus pompilius, Cataglyphis bombycina.
Grâce à l'évolution, quelqu'un a acquis la capacité de devenir pratiquement invisible pour les ennemis (mimétisme chez la mante Phyllocrania paradoxa , qui ressemble à une feuille séchée), quelqu'un a acquis une armure durable (la coquille du mollusque Nautilus pompilius ), et quelqu'un a appris à survivre même dans les conditions les plus défavorables. (réflectivité élevée du corps des fourmis Cataglyphis bombycinavivant dans le désert du Sahara), etc.
Chacun des exemples d'adaptation ci-dessus est une conséquence des caractéristiques structurelles et des propriétés de surface. Il est logique que les scientifiques soient heureux d'appliquer ces caractéristiques uniques dans notre monde, mais c'est extrêmement difficile. Le processus de reconstruction des propriétés des biomatériaux est appelé biomimétisme, et il est souvent associé au traitement d'un matériau de manière chimique ou physique, ce qui lui permet de modifier sa structure dans une certaine mesure. Par exemple, la gravure est utilisée pour créer des surfaces ultra- ou superhydrophobes sur des matériaux solides, ce qui nécessite des réactifs agressifs et un équipement coûteux, sans parler de spécialistes formés et expérimentés.
Ces dernières années, le processus de surfusion des particules métalliques est devenu très populaire. Les particules molles polydispersées ( core-shell * ) de métal liquide surfondu (ULMCS) en suspension dans un solvant permettent d'obtenir un tassage dense et un auto-tri des particules en textures de surface multi-échelles, comme celles des pétales de rose ( 1a - 1b ).
Particule noyau-coquille * - une particule dont le noyau et la coquille diffèrent par leur composition, leur morphologie et leur fonction.
Image n ° 1
Après la précipitation et l'évaporation du solvant, les particules molles ont tendance à former des structures à garnissage fermé aléatoire (RCP) et à se coincer à un rapport de tassement ∅ = 0,64. Le facteur d'emballage est déterminé par le rapport ∅ = NV 0 / V, où N est le nombre de particules; V 0 - le volume de la particule; V est le volume total.
De plus, compte tenu de l'existence de structures et de canaux multi-échelles à la surface de la rose ( 1a ), ces particules vont subir un processus d'autofiltration, qui est facilité par l'auto-assemblage des capillaires. Après avoir séché et atteint un état de pendule, les particules finiront par s'auto-fixer et se coincer dans les fissures des textures de surface ( 1b ).
Le blocage se produit lorsque la taille de la cavité interparticulaire, la concentration de la suspension et la taille des particules satisfont la relation suivante:
où R est le rayon du capillaire; r est le rayon de la particule; n est le nombre de particules.
Cette équation prédit la taille ( r ) ou le nombre ( n ) de particules nécessaires pour se coincer pour une taille de dépression donnée ( R ).
Le brouillage garantit également que les particules ULMCS déposées sont mécaniquement stabilisées et peuvent donc être frittées * en réseaux conformes du gabarit de surface souhaité ( 1c - 1d ).
Le frittage * est le processus de création de matériaux poreux et solides à partir de petites particules poudreuses ou poussiéreuses en augmentant la température et / ou la pression.L'application d'un frittage chimique à froid et la liaison et le durcissement des particules ULMCS piégées aboutissent à une structure durcie qui peut être retirée du pétale de rose (ou d'un matériau de base souple similaire) sans l'endommager. Ce procédé est également compatible avec les motifs synthétiques, thermosensibles et souples * tels que le PDMS (polydiméthylsiloxane / (C 2 H 6 OSi) n ) ( 1e ).
Le motif * est une courte séquence de nucléotides ou d'acides aminés qui change peu au cours de l'évolution.Lorsque des structures biomimétiques inverses sont appliquées à des matériaux élastomères sur lesquels les particules ULCMS sont compactées et frittées chimiquement, une réplique exacte du motif naturel est réalisée ( 1f - 1h ).
Ainsi, des structures métalliques solides biomimétiques peuvent être fabriquées sans chauffage grâce à l'utilisation de processus autonomes, tels que le scellement capillaire, la perturbation de la cinétique (hypothermie) et l'auto-assemblage / auto-tri des particules.
Résultats de recherche
Des particules métalliques polydispersées ULMCS (51% In + 32,5% Bi + 16,5% Sn) ont été synthétisées en utilisant la méthode SLICE (séparation de liquides en particules complexes du cisaillement de liquides en particules complexes ).
Le procédé SLICE peut produire des particules <10 nm, mais pour améliorer l'autofiltration et la facilité de caractérisation, cette étude a décidé d'utiliser des tailles plus grandes (μm) et une polydispersité plus élevée. Les particules utilisées dans cette étude avaient un diamètre de 2,71 ± 1,58 µm, par conséquent, le facteur de tassement prévu était d'environ ∅ = 0,70.
Ces ULMCS souples déformables, comme prévu, forment des structures plus denses que le tassement serré aléatoire observé avec des sphères dures (∅ = 0,64). La densification est vraisemblablement associée à un changement de forme sous l'action de la pression capillaire et de l'ordre dimensionnel autonome, ce qui augmente la densification. Cependant, ces processus peuvent être perturbés par des contraintes externes lors de la décantation des particules.
Pour étudier l'effet du processus de dépôt sur la densité de tassement, les scientifiques ont exécuté plusieurs cycles avec des degrés variables de contrainte de cisaillement appliquée (F s ). Les particules ont été appliquées sur des modèles biologiques (pétales de rose) et enlevées avec du ruban de cuivre, créant une structure métallique biomimétique, bien qu'avec un relief inversé.
Image n ° 2
Dans les images 2a, 2d et 2g illustrent schématiquement diverses méthodes de dépôt dans la gamme de faibles valeurs de F (application au pinceau) à F élevé (centrifugation) et sans F (pulvérisation). Le procédé de pulvérisation fournit une quantité minimale de F puisque les particules sont déposées perpendiculairement à la surface des pétales.
Le brossage direct ( 2a ) provoque de faibles valeurs de F sur la suspension de particules pendant le dépôt, ce qui donne des motifs épais (> 10 μm), multicouches (> 7 couches) ( 2b - 2c ). Cette méthode est la plus simple à mettre en œuvre, mais pas la plus appropriée, car elle nécessite une participation humaine directe, ce que les scientifiques souhaiteraient éviter.
Centrifugation sédimentation à 1000 tr / min (2d ) permet un processus plus contrôlable et reproductible, puisque la vitesse de dépôt, et donc la valeur F s , peut être fixée. Cependant, cette méthode coupe la couche la plus externe de particules déposées, ce qui donne des films légèrement plus minces (<10 μm, ~ 4-5 couches; 2e - 2f ) par rapport aux films brossés.
De manière surprenante, la centrifugation fournit une auto-filtration légèrement meilleure, comme le montre le dimensionnement hors ligne sur la couche supérieure de la structure surélevée (marquée en rouge en 2c et 2f ).
Mais la pulvérisation ( 2g) donne des films beaucoup plus minces (~ 3 couches) avec des défauts / délaminage importants ( 2h - 2i ). Cela peut être dû à des problèmes de pompage de particules métalliques assez denses à partir du système de pulvérisation manuelle, qui auront tendance à déposer de moins en moins de particules. Le dépôt de particules plus grosses dans la solution de pulvérisation peut également contribuer à une faible concentration et sélectivité de taille, d'où la formation de films plus minces.
Dans le cas d'un matériau granulaire, l'autofiltration peut se traduire par un meilleur emballage dans les caractéristiques de surface, ce qui se traduit par un emballage plus conforme à différentes échelles de taille. L'autofiltration se manifeste par la distribution de la taille des particules dans la couche supérieure des particules entraînées.
En comparant la distribution de la taille des particules des particules pré-préparées avec celles qui sont déposées le plus profondément dans les crevasses des pétales de rose (c'est-à-dire, représentent la couche la plus élevée de la structure métallique), un changement significatif est observé. Dans la suspension initiale polydispersée, un coefficient d'asymétrie positif important est observé, tandis que dans les particules déposées, les particules plus grosses sont filtrées ( 2j - 2m ).
L'ajustement de la gaussienne à la distribution granulométrique de la couche supérieure a montré que lors de l'utilisation d'un pinceau, les particules seront les plus grosses (~ 5 μm), suivies d'une centrifugation (~ 4 μm) et d'une pulvérisation (~ 3 μm).
Une analyse plus approfondie des trois méthodes de sédimentation des particules a montré que c'est la centrifugation qui convient le mieux, malgré la faible asymétrie relative. Dans le cas d'autres méthodes, un certain nombre de problèmes ont été observés: faible tassement capillaire en cas de pulvérisation; bon emballage, mais faible évolutivité dans le cas de l'utilisation d'un pinceau.
Concernant le choix de la méthode de dépôt des particules sur le pétale de rose (c'est-à-dire la méthode de réplication de ses microstructures avec des particules métalliques), il était également nécessaire d'évaluer le degré de coïncidence des structures de l'original et du moule. La comparaison a montré que tous les éléments obtenus à partir de la rose rouge étaient de taille moyenne dans l'ordre suivant: pinceau> centrifugation> spray. Cependant, dans tous les cas, les tailles des éléments de structure étaient assez similaires les unes aux autres (20 μm), c'est-à-dire dans cet aspect, n'importe laquelle des méthodes peut être utilisée.
Image №3
Ensuite, les scientifiques ont commencé une évaluation complète des caractéristiques de BIOMAP ( BIOmimetic MetAl Patterning ), c.-à-d. système métallique biomimicrique.
Au cours d'expériences pratiques, deux types de roses étroitement liées ont été utilisées:
- ( 1) a1 = 21.68 ± 3.32 (3);
- Peace ( 2) a2 = 26.63 ± 4.00 (3b);
L'application par centrifugation de la même suspension initiale à des pétales préparés de manière similaire a été réalisée afin de capturer les différences de ces motifs.
À la suite de l'application de particules par centrifugation sur la rose 1, des motifs avec un diamètre de l'élément hôtelier a 1 '= 19,85 ± 3,82 μm ( 3b - 3c ) ont été obtenus , ce qui représente un écart d'environ 2 μm par rapport au motif d'origine. La différence de 10% peut être provoquée par la déformation des caractéristiques de surface des pétales sous l'action de la pression capillaire et / ou du poids des particules déposées.
Pour la rose 2, la taille moyenne des éléments du motif des particules appliquées était de 2 '= 23,23 ± 3,98 μm ( 3e - 3f), c'est à dire. l'écart par rapport à l'original était d'environ 3 microns. Ces différences sont également enregistrées comme des décalages des valeurs gaussiennes moyennes des histogrammes obtenus ( 3g - 3h ).
La forme des particules distribuées des pétales et des surfaces BIOMAP est très similaire, ce qui indique une bonne réplication. Cependant, l'asymétrie et le kurtosis confirment que les changements subtils (écarts) décrits ci-dessus sont des erreurs systématiques (3i).
Naturellement, il convient de noter que tous les motifs BIOMAP résultants (marqués d'un "-") sont inverses par rapport à l'original (pétales de rose, marqués d'un "+"), bien qu'avec un degré élevé de réplication. Pour obtenir le même motif que sur le pétale, il faut d'abord répliquer à l'aide de l'élastomère PDMS, puis à partir de cette "empreinte" faire une copie à l'aide de BIOMAP. En gros, pour obtenir des impressions identiques (non reflétées) d'un pétale de rose, vous devez effectuer la procédure deux fois (ceux qui connaissent la cuisine savent comment retirer un gâteau d'un moule en utilisant deux plats).
Image # 4
Les images ci-dessus démontrent le degré de précision du BIOMAP dans la création d'un motif rose synthétique. Tout d'abord, un modèle primaire / brouillon (-) est créé en imprimant avec précision le PDMS à partir de la surface du pétale de rose ( 4a). Le moule PDMS est ensuite rempli de particules ULMCS, qui sont ensuite frittées avec CUPACT et les échantillons sont prélevés ( 4b - 4c ). Le résultat est un échantillon final de (+) ULMCS, bien qu'avec des espaces plus grands entre les caractéristiques de surface par rapport à la fleur rose ( 3a ), en raison de la rétention de la sphéricité des particules après CUPACT.
Malgré les limites de la création d'une surface lisse complètement continue, cette méthode démontre l'analogue le plus proche d'une surface rose ( 4b), créé en utilisant les principes de la chimie physique et de la cinétique chimique. En plus de la nouvelle texture de surface, il est également évident qu'une copie en métal (-) en relief de la surface du pétale peut être utilisée comme moule pour créer un analogue élastomère d'un pétale de rose, car les forces capillaires empêcheront l'élastomère visqueux non réticulé de pénétrer à travers le réseau de pores.
Pour tester cette théorie, des éléments métalliques (-) ont été remplis de PDMS ( 4d ), après quoi un motif en relief (+) similaire à un pétale de rose ( 4e - 4f ) a été obtenu .
Lorsque du métal était utilisé pour obtenir une copie, des écarts dans les dimensions des éléments résultants par rapport à l'original ont été observés d'environ 10%. Mais dans le cas où le métal a été utilisé comme moule pour créer des éléments PDMS, des changements significatifs de taille n'ont pas été observés.
Malgré toutes les différences entre les copies et l'original, les valeurs de mouillage * de la surface d'origine et de la réplique sont assez similaires (comparaison d'hydrophobicité à 4g ).
Mouillage * - l'interaction d'un liquide et de la surface d'un solide ou d'un autre liquide.Le pétale de rose était ultrahydrophobe avec un angle de contact moyen de 133,1 ± 5,0 °, tandis que la copie biomimétique, (+) échantillon ULMCS ( 4b ), donnait un angle de contact moyen de * 138,7 ± 14,7 °. La réplique PDMS a montré un angle de contact plus petit.
Angle de mouillage (angle de contact) * - l'angle entre la tangente dessinée à la surface du liquide et la surface solide. Ce paramètre détermine l'interaction intermoléculaire des particules de la surface d'un solide avec un liquide.Des particules de CUPACT frittées non texturées (CAP à 4 g ) et des particules de PDMS ont été utilisées comme groupe témoin pendant l'analyse (ligne en pointillés à 4 g ).
Les gouttelettes sur les surfaces non texturées des particules frittées, diffusant lentement dans la surface poreuse, présentent une hydrophobicité temporaire. Vraisemblablement, cette légère hydrophobicité observée sur la couche de particules frittées est due à la présence du ligand de surface substantiellement à terminaison méthyle utilisé pour stabiliser l'ULCMS.
Pour comparer davantage le mouillage entre les échantillons biomimétiques et naturels, les gouttelettes situées dans le modèle BIOMAP ont été inclinées ( 4b) pour simuler l'effet pétale. Comme prévu, les gouttelettes adhèrent à la surface, bien qu'avec une grande hystérésis d'angle de contact lorsque l'angle d'inclinaison augmente ( 4h et vidéo ci-dessous).
Démonstration des propriétés mouillantes d'un pétale de rose et d'une réplique en métal.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et des éléments supplémentaires .
Épilogue
Dans ce travail, les scientifiques ont pu créer un motif métallique biomimétique basé sur un substrat mou (c'est-à-dire un pétale de rose). Les éléments fabriqués imitent complètement le biosimilaire à la fois dans la structure et dans les propriétés de mouillage, bien qu'avec de petits écarts, des artefacts de la méthode de traitement BIOMAP et une asymétrie dans les propriétés du matériau.
Si nous simplifions toute l'étude en une phrase, les scientifiques ont pu faire une impression d'un pétale de rose à partir de particules métalliques. Le réplica résultant a les mêmes propriétés que l'original. Une attention particulière doit être accordée à l'hydrophobicité du matériau développé, qui était auparavant obtenue par des méthodes beaucoup plus complexes et coûteuses.
La structure créée a la force et la durabilité du métal et l'hydrophobicité d'un délicat pétale de rose. Cette hybridation des propriétés permet de créer différentes variantes de matériaux, élargissant le champ de leurs applications. Selon les scientifiques, leur développement peut être utilisé dans une grande variété d'industries, de la médecine (réplication de structures nanométriques pour remplacer davantage les pièces endommagées) à l'industrie aéronautique (traitement des ailes d'avion pour réduire le givrage pendant le vol).
Quoi qu'il en soit, la nature a une fois de plus montré qu'elle est une source d'inspiration presque inépuisable non seulement pour les artistes qui créent des paysages pittoresques, mais aussi pour les scientifiques qui inventent des dispositifs et des systèmes incroyables.
Merci pour votre attention, restez curieux et passez une bonne semaine de travail, les gars. :)
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