通過對昆蟲表面的調查，賓夕法尼亞州立大學的研究人員詳細描述了一個以前無法識別的納米結構，該納米結構可用于設計更堅固，更具彈性的拒水涂層。

這項研究的結果今天(7月17日)發(fā)表在《科學進展》上。

具有增強的防滴能力，此設計可應用于個人防護設備(PPE)，以更好地抵抗病毒載帶的顆粒，例如COVID-19等。

“在過去的幾十年中，常規(guī)設計的水排斥表面也通常是基于植物，像荷葉，”林旺，材料科學與工程學院在賓夕法尼亞州立大學系的博士生論文的主要作者。

經(jīng)典的工程理論已使用這種方法來創(chuàng)建超疏水或疏水表面。傳統(tǒng)上，它們是用低固含量的質地制造的，這種質地在低密度的微觀，毛狀納米結構之上保持了極薄的??空氣層，研究人員將其比作冰球臺。

“原因是，如果液滴或物體漂浮在空氣上方，它就不會粘在表面上，” Wormley早期工程學教授，機械與生物醫(yī)學工程學副教授Tak-Sing Wong說。王的顧問。

由于人造涂層有效地起作用，因此它們傾向于模仿這些納米結構的低密度。

但是，本文詳細介紹了一種完全不同的方法。在高分辨率電子顯微鏡下檢查蚊子的眼睛，跳尾的身體或蟬的翅膀等表面時，Wang發(fā)現(xiàn)，這些表面上的納米級毛發(fā)密度更高，在工程學中被稱為高固體分質地。經(jīng)過進一步的探索，這種與植物結構的明顯偏離可能會帶來額外的拒水益處。

“想像一下，如果您在表面上具有高密度的這些納米結構，”王說。“有可能通過更高的沖擊力來保持空氣層的穩(wěn)定性。”

這也可能意味著堆積更密集的結構可能能夠排斥以更高速度運動的液體，例如雨滴。

盡管設計概念對人類來說是陌生的，但研究人員認為這種納米結構可增強昆蟲在自然環(huán)境中的適應能力。

王說：“對于這些昆蟲表面而言，排斥水滴是生死攸關的問題。雨滴的撞擊力足以將其帶到地面并殺死它們。”“因此，對他們而言保持干燥真的很重要，我們想出了辦法。”

有了從自然界中獲得的知識，研究人員希望將這種設計原理應用于下一代涂料。通過開發(fā)可以承受更快的運動和更高的沖擊滴的憎水表面，應用變得十分豐富。

從小型飛行機器人車輛(例如亞馬遜希望與之一起運送包裹的無人機)到商用客機，可以模仿這些昆蟲表面的涂層可以提高效率和安全性。

但是，鑒于COVID-19大流行，研究人員此后意識到這種知識可能會對人類健康產生額外影響。

“我們希望，這種涂層在開發(fā)時可以用于PPE。例如，如果有人在面罩周圍打噴嚏，那是高速液滴。使用傳統(tǒng)涂層，這些顆粒可能會粘在PPE的表面。” Wong說過。“但是，如果成功采用本文詳述的設計原理，它將能夠更好地排斥這些液滴，并有可能保持表面無菌。”

從這項工作中可以看出，黃大自然啟發(fā)工程實驗室從生物學現(xiàn)象中汲取了見識，使人類的創(chuàng)新更好，更有效。

Wong說：“雖然我們在項目開始之初就沒有想到該應用程序，但是COVID-19讓我們思考了如何使用該設計原理使更多人受益。”“作為工程師，我們需要掌握這些發(fā)現(xiàn)并以有意義的方式應用它們。”

這項工作的下一步將是開發(fā)一種大規(guī)模，經(jīng)濟高效的方法，該方法可以制造一種模仿這些特性的涂層。

Wong說：“過去，我們沒有有效的表面可以排斥高速水滴。”“但是昆蟲告訴了我們怎么做。自然界有如此多的例子;我們只需要向他們學習。”