Βιοεμπνευσμένες πολυλειτουργικές επιφάνειες: H ανερχόμενη δύναμη στις επιφανειακές κατεργασίες

Του κ. Δημήτρη Σκόνδρας – Γιούσιου

 

Η τεχνολογική εξέλιξη των τελευταίων δεκαετιών στις επιστήμες της μικροσκοπίας έχει συμβάλει αποφασιστικά στη ραγδαία ανάπτυξη πολλών κλάδων της τεχνολογίας. Ένας τέτοιος ταχύτατα αναπτυσσόμενος τεχνολογικός κλάδος, με ιδιαίτερο κατασκευαστικό ενδιαφέρον και εφαρμογές, είναι οι βιομιμητικές πολυλειτουργικές επιφάνειες. Τα τελευταία χρόνια έχουν κατασκευαστεί τεχνικές επιφάνειες με εξαιρετικά τριβολογικά, διαβρεκτικά, οπτικά και πολλά άλλα χαρακτηριστικά αντλώντας το σχεδιασμό τους από την παρατήρηση φυσικών ιεραρχικά δομημένων επιφανειακών μοτίβων με πολύ ξεχωριστά λειτουργικά χαρακτηριστικά στη μικροκλίμακα και νανοκλίμακα,

 

Τριβολογικές εφαρμογές

Η αναστρέψιμη προσκολλητικότητα των νανοτριχιδίων των πελμάτων της σαύρας Gecko και ορισμένων εντόμων, τους δίνει τη δυνατότητα ισχυρής πρόσφυσης ανεξαρτήτως επιφάνειας.

Για την κατασκευή μοτίβων για ισχυρή αναστρέψιμη προσκόλληση, οι συνήθεις τεχνικές που χρησιμοποιούνται είναι η φωτολιθογραφία, λιθογραφία με ηλεκτρονιακή δέσμη και χημική χάραξη, κυρίως σε πολυμερή υλικά.

Εμπνευσμένες από τη Gecko, υπερσυγκολλητικές επιφάνειες βρίσκουν εφαρμογή σε ευρεία γκάμα εφαρμογών, όπως είναι αναρριχόμενα ρομπότ, αρπάγες σε συνθήκες μηδενικής βαρύτητας και βιοσυμβατά ράμματα.

Η μείωση της τριβής και της υδροδυναμικής αντίστασης που επιτυγχάνει αντίστοιχα το δέρμα φιδιών και καρχαριών, οφείλεται σε μικροαυλακώσεις του δέρματος οι οποίες ανυψώνουν τυρβώδεις ροές.

Η δημιουργία μοτίβων για μείωση τριβής και υδροδυναμικής αντίστασης συνήθως πραγματοποιείται με κατεργασία με δέσμη LASER μικρού μήκους κύματος (<nm), λιθογραφικές τεχνικές αλλά και τρισδιάστατη εκτύπωση υψηλής ακρίβειας.

Συνήθως πολυμερή ή μεταλλικά υλικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αυτών των επιφανειών. Οι επιφάνειες μείωσης τριβής βρίσκουν εφαρμογή στη βιομηχανία και σε προϊόντα όπως είναι δαχτυλίδια εμβόλων ή περιβλήματα κινητήρων. Επιφάνειες που μειώνουν την υδροδυναμική αντίσταση βελτιώνουν τις συνθήκες λίπανσης σε μηχανικές επαφές και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για οικονομία καυσίμων σε πλοία και αεροσκάφη.

 

Εφαρμογές διαβροχής

Επιφανειακά μοτίβα που υπάρχουν στα φύλλα του λωτού και του ρυζιού, στα ροδοπέταλα και στα φτερά πεταλούδων επιδεικνύουν υπερυδροφοβικότητα, λόγω της ιεραρχικής δόμησης στη μικροκλίμακα και νανοκλίμακα των επιφανειακών τους χαρακτηριστικών, που εγκλωβίζουν όγκους αέρα ανάμεσα στην επιφάνεια και το υγρό.

Μέθοδοι κατεργασιών όπως είναι η ηλεκτροδιάβρωση, η χημική χάραξη, η φυσική εναπόθεση ατμών, η κατεργασία με δέσμη LASER, η μέθοδος sol-gel και οι επικαλύψεις με νανοσωματίδια έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία υπερυδρόφοβων και υπερυδρόφιλων επιφανειών σε ευρεία γκάμα υλικών, όπως σε μέταλλα, πολυμερή, σύνθετα και ημιαγώγιμα υλικά.

Οι υπερυδρόφοβες επιφάνειες είναι εξαιρετικά χρήσιμες σε ποικίλες εφαρμογές: Υπερυδρόφοβες πολυμερείς κυψέλες έχουν τη δυνατότητα διαχωρισμού ρυπογόνων ελαίων από το νερό, υπερυδρόφοβα γυαλιά δε συγκρατούν καθόλου υγρασία σε συνθήκες ομίχλης, ενώ υπερυδρόφοβα μέταλλα παρουσιάζουν εξαιρετική ανθεκτικότητα στη διάβρωση.

Με τον κατάλληλο συνδυασμό υπερυδρόφοβων και υπερυδρόφιλων μοτίβων επιτυγχάνεται η συλλογή νερού μέσω της υγρασίας της ατμόσφαιρας. Η ιδιότητα των υπερυδρόφοβων επιφανειών να αποτρέπουν τη δημιουργία στρώματος πάγου σε θερμοκρασίες λίγο κάτω από τους 0οC, τους δίνει πλεονέκτημα σε σχέση με τις συμβατικές επιφάνειες για εφαρμογές όπου η δημιουργία πάγου είναι ανεπιθύμητη, όπως στα φτερά των αεροσκαφών.

Τέλος, οι υπερυδρόφοβες επιφάνειες επιδεικνύουν χαρακτηριστικά αυτοκαθαρισμού, κάτι που τις καθιστά ιδανικές επιφάνειες ιατρικού εξοπλισμού, όπου είναι αναγκαία η αποφυγή της βιολογικής ρύπανσης.

 

Οπτικές εφαρμογές

Η αυστηρή αναλογία μήκους – απόστασης επιφανειακών χαρακτηριστικών στη νανοκλίμακα (αναλογία που συναντάται στο μάτι της νυχτοπεταλούδας καθώς και στα φτερά κάποιων εντόμων και πουλιών) δημιουργεί ένα φυσικό φίλτρο φωτός που μπορεί να εγκλωβίζει συγκεκριμένες φασματικές συχνότητες, από υπέρυθρες έως υπεριώδεις ακτινοβολίες.

Οι κατασκευαστικές μέθοδοι για την επίτευξη συγκεκριμένων οπτικών ιδιοτήτων απαιτούν πολύ υψηλή ακρίβεια, καθώς απαιτείται η δημιουργία γεωμετρικών χαρακτηριστικών σε διαστάσεις κάτω από το αντίστοιχο μήκος κύματος αναφοράς.

Στις μεθόδους κατασκευής οπτικών επιφανειών συμπεριλαμβάνονται η μαλακή λιθογραφία, η νανοαποτύπωση, η χάραξη με πλάσμα, η κατεργασία με δέσμη LASER και η θερμοδυναμική αυτοσυναρμολόγηση κολλοειδών νανοσωματιδίων. Παρά το γεγονός ότι τα πιο συνήθη υλικά σε αυτές τις εφαρμογές είναι τα πολυμερή και τα γυαλιά, αρκετά συχνά έχουν χρησιμοποιηθεί και λεπτά ελάσματα.

Οι βιοεμπνευσμένες επιφάνειες για οπτικές εφαρμογές επιδεικνύουν συνήθως χαρακτηριστικά δομικού χρωματισμού ή/και αντιανακλαστικότητα. Ο δομικός χρωματισμός χρησιμοποιείται σε εφαρμογές όπως είναι η ενίσχυση της απόδοσης διόδων φωτοεκπομπής, σε συσκευές διαμόρφωσης δέσμης αλλά και για αισθητικές εφαρμογές.

Οι αντιανακλαστικές επιφάνειες χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση της απόδοσης ηλιακών συλλεκτών, για καμουφλάζ από υπέρυθρες ακτίνες αλλά και για την αποδοτικότερη λειτουργία θερμοκηπίων.

 

«Έξυπνες» επιφάνειες

Εν κατακλείδι, οι επιφανειακές δομές που υπάρχουν στη φύση, μπορούν να προσδώσουν εξαιρετικές επιφανειακές ιδιότητες. Η συστηματική μεταφορά αυτών των ξεχωριστών ιδιοτήτων στον τεχνολογικό τομέα μπορεί να προσθέσει αξία στις επιφάνειες σε πολλές εφαρμογές στις οποίες είναι απαραίτητη η πολυλειτουργικότητα.

Παράλληλα, η τεχνολογική ανάπτυξη των επιφανειακών κατεργασιών υπερυψηλής ακρίβειας μπορεί να οδηγήσει στην ακριβέστερη και οικονομικότερη κατασκευή αυτών των επιφανειών, οδηγώντας στην καθιέρωση μιας νέας γενιάς «έξυπνων» επιφανειών.

 

Προτεινόμενη βιβλιογραφία

[1] Bhushan B. Biomimetics: bioinspired hierarchical-structured surfaces for green science and technology: Springer; 2016.

[2] Sun J, Bhushan B. Nanomanufacturing of bioinspired surfaces. Tribology International. 2019;129:67-74.

[3] Malshe AP, Bapat S, Rajurkar KP, Haitjema H. Bio-inspired textures for functional applications. CIRP Annals. 2018;67:627-50.

[4] Stratakis E, Bonse J, Heitz J, Siegel J, Tsibidis GD, Skoulas E, et al. Laser engineering of biomimetic surfaces. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2020;141:100562.

[5] Han Z, Jiao Z, Niu S, Ren L. Ascendant bioinspired antireflective materials: Opportunities and challenges coexist. Progress in Materials Science. 2019;103:1-68.

 

*Ο κ. Δημήτρης Σκόνδρας – Γιούσιος είναι υποψήφιος διδάκτορας του Τομέα Τεχνολογίας των Κατεργασιών, στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

 

Ελέγξτε επίσης

Μικροδίκτυο: Η Τεχνολογία που ενεργοποιεί το Νέο Ενεργειακό τοπίο

Με πληθώρα διεθνών και ενωσιακών δεσμεύσεων από όλες τις χώρες της ΕΕ, έχει τεθεί ο …