¿Qué hay de común entre un traje de ciclismo y una piel de tiburón, y entre un pétalo de rosa y una bolsa de plástico? A primera vista, parece no haber nada en común, pero todos estos objetos diferentes pueden combinarse en términos de las propiedades de sus superficies. Muchos objetos creados por el hombre de una forma u otra repiten las propiedades de las superficies que se encuentran en la naturaleza. Sin embargo, el proceso de fabricación de dicho objeto está limitado en gran medida por las propiedades del material subyacente. Estructuralmente, los metales y los polímeros se diferencian en muchos aspectos de los biomateriales, por lo que es extremadamente difícil imitar sus propiedades. No obstante, científicos de la Universidad de Iowa (EE. UU.) Decidieron utilizar la microestructura del pétalo de rosa como inspiración para transformar el metal, lo que cambia enormemente sus propiedades. Cómo exactamente se cambió el metal,¿Qué se hizo para esto y cómo ayudaron los pétalos de la flor noble en esto? Encontraremos respuestas a estas preguntas en el informe de los científicos. Vamos.
Base de investigación
En la naturaleza, nada sucede así. El mismo principio se aplica a varios tipos de superficies que podemos encontrar en la naturaleza. Los representantes de la flora y la fauna durante cientos de miles de años han sufrido todo tipo de cambios necesarios para adaptarse a las condiciones del hábitat.
Phyllocrania paradoxa, Nautilus pompilius, Cataglyphis bombycina.
Gracias a la evolución, alguien adquirió la capacidad de volverse virtualmente invisible para los enemigos (mimetismo en la mantis Phyllocrania paradoxa , que parece una hoja seca), alguien adquirió una armadura duradera (el caparazón del molusco Nautilus pompilius ) y alguien aprendió a sobrevivir incluso en las condiciones más adversas. (alta reflectividad del cuerpo de las hormigas Cataglyphis bombycinaviviendo en el desierto del Sahara), etc.
Cada uno de los ejemplos de adaptación anteriores es consecuencia de características estructurales y propiedades de la superficie. Es lógico que los científicos estén felices de aplicar características tan únicas en nuestro mundo, pero esto es extremadamente difícil. El proceso de reconstrucción de las propiedades de los biomateriales se denomina biomimetismo y, a menudo, se asocia con el procesamiento de un material de forma química o física, lo que le permite cambiar su estructura hasta cierto punto. Por ejemplo, el grabado se utiliza para crear superficies ultra o superhidrófobas en materiales sólidos, lo que requiere reactivos agresivos y equipos costosos, sin mencionar a especialistas capacitados y experimentados.
En los últimos años, el proceso de sobreenfriamiento de partículas metálicas se ha vuelto muy popular. Las partículas suaves polidispersas ( núcleo-capa * ) de metal líquido superenfriador (ULMCS) suspendidas en un disolvente permiten lograr un empaquetamiento denso y una autoclasificación de partículas en texturas superficiales multiescala, como las de los pétalos de rosa ( 1a - 1b ).
Núcleo-caparazón de partícula * : una partícula cuyo núcleo y capa difieren en composición, morfología y propósito funcional.
Imagen # 1
Después de la precipitación y la evaporación del solvente, las partículas blandas tienden a formar estructuras de empaquetamiento cerrado aleatorias (RCP) y se atascan en una proporción de empaquetamiento ∅ = 0.64. El factor de empaquetamiento está determinado por la relación ∅ = NV 0 / V, donde N es el número de partículas; V 0 - el volumen de la partícula; V es el volumen total.
Además, dada la existencia de estructuras y canales multiescala en la superficie de la rosa ( 1a ), estas partículas se someterán a un proceso de autofiltración, que se facilita por el autoensamblaje de los capilares. Después de secarse y alcanzar un estado de péndulo, las partículas eventualmente se auto-arreglarán y se atascarán en las grietas de las texturas superficiales ( 1b ).
El atasco ocurre cuando el tamaño de la cavidad entre partículas, la concentración de la suspensión y el tamaño de las partículas satisfacen la siguiente relación:
donde R es el radio del capilar; r es el radio de la partícula; n es el número de partículas.
Esta ecuación predice el tamaño ( r ) o el número ( n ) de partículas necesarias para atascarse para un tamaño de depresión determinado ( R ).
La interferencia también asegura que las partículas de ULMCS depositadas se estabilicen mecánicamente y, por lo tanto, se puedan sinterizar * en redes conformadas de la plantilla de superficie deseada ( 1c - 1d ).
La sinterización * es el proceso de creación de materiales sólidos y porosos a partir de pequeñas partículas pulverulentas o polvorientas al aumentar la temperatura y / o la presión.La aplicación de sinterización química en frío y la unión y curado de las partículas de ULMCS atrapadas dan como resultado una estructura endurecida que se puede quitar del pétalo de rosa (o material de base suave similar) sin dañarlo. Este proceso también es compatible con motivos sintéticos, sensibles al calor y blandos * como PDMS (polidimetilsiloxano / (C 2 H 6 OSi) n ) ( 1e ).
Motive * es una secuencia corta de nucleótidos o aminoácidos que cambia poco durante la evolución.Cuando se aplican estructuras biomiméticas inversas a materiales elastoméricos en los que las partículas de ULCMS se empaquetan y sinterizan químicamente, se realiza una réplica exacta del patrón natural ( 1f - 1h ).
Por lo tanto, las estructuras metálicas sólidas biomiméticas se pueden fabricar sin calentamiento mediante el uso de procesos autónomos como el sellado capilar, la interrupción de la cinética (hipotermia) y el autoensamblaje / autoclasificación de partículas.
Resultados de la investigacion
Las partículas de metal polidispersas ULMCS (51% In + 32,5% Bi + 16,5% Sn) se sintetizaron utilizando el método SLICE (separación de líquidos en partículas complejas a partir de líquidos de cizallamiento en partículas complejas ).
El proceso SLICE puede producir partículas <10 nm, pero para mejorar la autofiltración y facilitar la caracterización, este estudio decidió utilizar tamaños más grandes (μm) y una mayor polidispersidad. Las partículas utilizadas en este estudio tenían un diámetro de 2,71 ± 1,58 µm, por lo tanto, el factor de empaquetamiento previsto fue de aproximadamente ∅ = 0,70.
Estos ULMCS suaves deformables, como se esperaba, forman estructuras más densas que el empaquetamiento cerrado aleatorio observado con esferas duras (∅ = 0,64). Es probable que la densificación se deba al cambio de forma bajo la acción de la presión capilar y el ordenamiento dimensional autónomo, que aumenta la densificación. Sin embargo, estos procesos pueden verse interrumpidos por tensiones externas durante el asentamiento de partículas.
Para investigar el efecto del proceso de deposición sobre la densidad de empaquetamiento, los científicos ejecutaron varios ciclos con diversos grados de esfuerzo cortante aplicado (F s ). Las partículas se aplicaron a plantillas biológicas (pétalos de rosa) y se eliminaron con cinta de cobre, creando una estructura metálica biomimética, aunque con un relieve inverso.
Imagen No. 2
En imágenes 2a, 2d y 2g ilustran esquemáticamente varios métodos para deposición en el rango de valores bajos de F (aplicación con brocha) a F alto (centrifugación) y sin F (pulverización catódica). El método de pulverización proporciona una cantidad mínima de F ya que las partículas se depositan perpendicularmente a la superficie del pétalo.
El cepillado directo ( 2a ) provoca valores bajos de F en la suspensión de partículas durante la deposición, lo que da como resultado patrones gruesos (> 10 μm), multicapas (> 7 capas) ( 2b - 2c ). Este método es el más fácil de implementar, pero no el más adecuado, ya que requiere la participación humana directa, lo que los científicos querrían evitar.
Sedimentación por centrifugación a 1000 rpm (2d ) permite un proceso más controlable y reproducible, ya que la tasa de deposición y, por lo tanto, el valor de F s , pueden ser fijos. Sin embargo, este método corta la capa más externa de partículas depositadas, lo que da como resultado películas ligeramente más delgadas (<10 μm, ~ 4-5 capas; 2e - 2f ) en comparación con las películas cepilladas.
Sorprendentemente, la centrifugación proporciona una autofiltración ligeramente mejor, como lo muestra el tamaño fuera de línea en la capa superior de la estructura elevada (marcada en rojo en 2c y 2f ).
Pero la pulverización ( 2g) da películas mucho más delgadas (~ 3 capas) con defectos / delaminación significativos ( 2h - 2i ). Esto puede deberse a problemas con el bombeo de partículas metálicas bastante densas desde el sistema de pulverización manual, que tenderán a depositar cada vez menos partículas. La deposición de partículas más grandes en la solución de pulverización también puede contribuir a una baja concentración y selectividad de tamaño, de ahí la formación de películas más delgadas.
En el caso del material granular, la autofiltración puede resultar en un mejor empaque en las características de la superficie, lo que resulta en un empaque más conformado en varias escalas de tamaño. La autofiltración se manifiesta en la distribución del tamaño de partículas en la capa superior de partículas arrastradas.
Al comparar la distribución del tamaño de partícula de las partículas preparadas previamente con las que se depositan más profundamente en las grietas de los pétalos de rosa (es decir, representan la capa superior de la estructura metálica), se observa un cambio significativo. En la suspensión inicial polidispersa se observa un gran coeficiente de asimetría positivo, mientras que en las partículas depositadas se filtran las partículas más grandes ( 2j - 2m ).
Ajustar el gaussiano a la distribución del tamaño de partícula de la capa superior mostró que cuando se usa un cepillo, las partículas serán las más grandes (~ 5 μm), seguido de centrifugación (~ 4 μm) y pulverización catódica (~ 3 μm).
Un análisis más profundo de los tres métodos de sedimentación de partículas mostró que es la centrifugación la más adecuada, a pesar de la pequeña asimetría relativa. En el caso de otros métodos, se observaron varios problemas: bajo empaquetamiento capilar en el caso de la pulverización; buen empaque, pero escasa escalabilidad en el caso de utilizar un pincel.
Con respecto a la elección del método de deposición de partículas en el pétalo de rosa (es decir, el método de replicar sus microestructuras con partículas metálicas), también fue necesario evaluar el grado de coincidencia de las estructuras del original y el molde. La comparación mostró que todos los elementos obtenidos de la rosa roja eran de tamaño medio en el siguiente orden: cepillo> centrifugación> pulverización. Sin embargo, en todos los casos, los tamaños de los elementos estructurales fueron bastante similares entre sí (20 μm), es decir, en este aspecto, se puede utilizar cualquiera de los métodos.
Imagen №3
A continuación, los científicos comenzaron una evaluación completa de las características de BIOMAP ( BIOmimetic MetAl Patterning ), es decir sistema de metal biomimicric.
Durante los experimentos prácticos, se utilizaron dos tipos de rosas estrechamente relacionadas:
- ( 1) a1 = 21.68 ± 3.32 (3);
- Peace ( 2) a2 = 26.63 ± 4.00 (3b);
Se realizó la aplicación por centrifugación de la misma suspensión inicial a pétalos preparados de manera similar con el fin de capturar las diferencias en estas plantillas.
Como resultado de la aplicación de partículas por centrifugación a la rosa 1, se obtuvieron patrones con un diámetro del elemento del hotel a 1 '= 19.85 ± 3.82 μm ( 3b - 3c ), que es una desviación de ~ 2 μm del patrón original. La diferencia del 10% puede deberse a la deformación de las características superficiales de los pétalos bajo la acción de la presión capilar y / o el peso de las partículas depositadas.
Para la rosa 2, el tamaño promedio de los elementos del patrón de las partículas aplicadas fue 2 '= 23.23 ± 3.98 μm ( 3e - 3f), es decir la desviación del original fue de aproximadamente 3 micrones. Estas diferencias también se registran como cambios en los valores gaussianos promedio de los histogramas obtenidos ( 3g - 3h ).
La forma de las partículas distribuidas de los pétalos y las superficies de BIOMAP son muy similares, lo que indica una buena replicación. Sin embargo, la asimetría y la curtosis confirman que los cambios sutiles (desviaciones) descritos anteriormente son errores sistemáticos (3i).
Naturalmente, cabe señalar que todos los patrones BIOMAP resultantes (marcados con "-") son inversos al original (pétalos de rosa, marcados con "+"), aunque con un alto grado de replicación. Para obtener el mismo patrón que en el pétalo, primero es necesario replicar usando el elastómero PDMS, y luego a partir de esta "impresión" hacer una copia usando BIOMAP. En términos generales, para obtener impresiones idénticas (sin espejo) de un pétalo de rosa, debe realizar el procedimiento dos veces (aquellos que están familiarizados con la cocina saben cómo quitar un pastel de un molde con dos platos).
Imagen # 4
Las imágenes de arriba demuestran el grado de precisión de BIOMAP en la creación de un patrón de rosa sintético. Primero, se hace una plantilla primaria / borrador (-) imprimiendo con precisión el PDMS desde la superficie del pétalo de rosa ( 4a). A continuación, se llena el molde de PDMS con partículas de ULMCS, que luego se sinterizan con CUPACT y se retiran las muestras ( 4b - 4c ). El resultado es una muestra final de (+) ULMCS, aunque con mayores espacios entre las características de la superficie en comparación con la flor de rosa ( 3a ), debido a la retención de la esfericidad de las partículas después de CUPACT.
A pesar de las limitaciones para crear una superficie lisa completamente continua, este método demuestra el análogo más cercano de una superficie de rosa ( 4b), creado utilizando los principios de la química física y la cinética química. Además de la nueva textura de la superficie, también está claro que una copia en relieve de metal (-) de la superficie del pétalo se puede usar como molde para crear un análogo elastomérico de un pétalo de rosa, ya que las fuerzas capilares evitarán que el elastómero viscoso no reticulado penetre a través de la red de poros.
Para probar esta teoría, los elementos metálicos (-) se rellenaron con PDMS ( 4d ), después de lo cual se obtuvo un patrón elevado (+) similar a un pétalo de rosa ( 4e - 4f ).
Cuando se utilizó metal para obtener una copia, se observaron desviaciones en las dimensiones de los elementos resultantes del original en aproximadamente un 10%. Pero en el caso en el que se utilizó metal como molde para crear elementos PDMS, no se observaron cambios significativos en las dimensiones.
A pesar de todas las diferencias entre las copias y el original, los valores de humectación * de la superficie original y la réplica son bastante similares (comparación de hidrofobicidad a 4 g ).
Humectación * : la interacción de un líquido y la superficie de un sólido u otro líquido.El pétalo de rosa era ultrahidrófobo con un ángulo de contacto medio de 133,1 ± 5,0 °, mientras que la copia biomimética, muestra (+) ULMCS ( 4b ), dio un ángulo de contacto medio de * 138,7 ± 14,7 °. La réplica de PDMS mostró un ángulo de contacto más pequeño.
Ángulo de humectación (ángulo de contacto) * : el ángulo entre la tangente dibujada a la superficie del líquido y la superficie sólida. Este parámetro determina la interacción intermolecular de partículas de la superficie de un sólido con un líquido.Se utilizaron partículas de CUPACT sinterizadas sin textura (CAP a 4 g ) y partículas de PDMS como grupo de control durante el análisis (línea discontinua a 4 g ).
Las gotitas en las superficies sin textura de las partículas sinterizadas, que se difunden lentamente en la superficie porosa, exhiben una hidrofobicidad temporal. Presumiblemente, esta ligera hidrofobicidad observada en la capa de partículas sinterizadas se debe a la presencia del ligando de superficie sustancial terminado en metilo usado para estabilizar el ULCMS.
Para comparar aún más la humectación entre muestras biomiméticas y naturales, las gotas ubicadas en el patrón BIOMAP se inclinaron ( 4b) para simular el efecto pétalo. Como se esperaba, las gotas se adhieren a la superficie, aunque con una histéresis de ángulo de contacto grande a medida que aumenta la pendiente ( 4h y video a continuación).
Demostración de las propiedades humectantes de un pétalo de rosa y una réplica de metal.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .
Epílogo
En este trabajo, los científicos pudieron hacer un patrón de metal biomimético basado en un sustrato blando (es decir, un pétalo de rosa). Los elementos fabricados imitan completamente al biosimilar tanto en estructura como en las propiedades de humectación, aunque con pequeñas desviaciones, artefactos del método de procesamiento BIOMAP y asimetría en las propiedades del material.
Si simplificamos todo el estudio a una oración, los científicos pudieron hacer una impresión de un pétalo de rosa a partir de partículas metálicas. La réplica resultante tiene las mismas propiedades que la original. Se debe prestar especial atención a la hidrofobicidad del material desarrollado, que anteriormente se lograba mediante métodos mucho más complejos y costosos.
La estructura creada tiene la fuerza y durabilidad del metal y la hidrofobicidad de un delicado pétalo de rosa. Esta hibridación de propiedades permite crear diversas variantes de materiales, ampliando el rango de sus aplicaciones. Según los científicos, su desarrollo se puede utilizar en una amplia variedad de industrias, desde la medicina (replicación de estructuras nanométricas para reemplazar aún más las partes dañadas) hasta la industria de la aviación (tratamiento de las alas de los aviones para reducir la formación de hielo durante el vuelo).
Sea como fuere, la naturaleza ha vuelto a demostrar que es una fuente de inspiración casi inagotable no solo para los artistas que crean paisajes pintorescos, sino también para los científicos que inventan dispositivos y sistemas increíbles.
Gracias por su atención, tengan curiosidad y tengan una buena semana de trabajo, chicos. :)
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