Подписка

Биомиметика ― это подход, при котором новые материалы и устройства разрабатываются на основе принципов, реализованных в живой природе. Физики-лазерщики могут изменять или придавать дополнительные свойства любым материалам. Как они это делают и что может получиться в итоге, рассказываем в материале.

Управлять морфологией поверхности материалов можно с помощью лазерного излучения. 

«Как нам помогает биомиметика? Например, индустриальные партнеры просят нас решить конкретные задачи — защитить поверхность корабля от биообрастания, создать антикоррозионное или антибактериальное покрытие. Первое, о чем мы думаем перед разработкой, — какие есть готовые решения в природе и как мы можем их адаптировать. Дальше на основе нашего опыта мы подбираем подходящий материал, среду обработки, источник лазерного воздействия и оптическую систему и затем воссоздаем природную структуру в лаборатории. В основном мы разрабатываем только морфологию поверхности живого организма, но для получения заданных свойств важен и химический состав поверхности. Например, мы можем создать структуру лотоса на изначально гидрофильной поверхности (это металлы или оксиды металлов), а структурирование только усилит ее гидрофильные свойства. Или можем разработать гидрофобную поверхность (это металлы с органическими покрытиями), а дополнительное структурирование сделает покрытие супергидрофобным», — рассказывает директор Института лазерных технологий ИТМО Галина Одинцова.

В Институте лазерных технологий ИТМО студенты и сотрудники развивают разные научные направления, связанные с биомиметикой. Среди них ― исследования гидрофильных и гидрофобных свойств материалов для управления смачиванием поверхности и направлением движения жидкостей (воды, краски, металла и многого другого), создание структур на поверхности материалов, которые позволяют повысить биосовместимость и антибактериальные свойства и защиту от биообрастания, биосовместимых и антибактериальных поверхностей, а также имитировать оптические свойства животных и насекомых.

Гидрофобность — боязнь воды. Некоторые растения, например настурция и водосбор, обладают эффектом лотоса. Из-за низкой поверхностной энергии листьев маленькие капли воды не растекаются по поверхности листьев, а наоборот ― собираются в несколько больших капель. Под собственной тяжестью они скатываются и захватывают вместе с собой частицы пыли и грязи. Так растения самоочищаются.

Это же свойство окружающей среды могут повторить и ученые, создав в искусственных условиях самоочищающуюся поверхность. Для этого они формируют микроструктуру с выступающими на ней пиками, на которых, в свою очередь, тоже есть такие же пики, но наноразмера. Но помимо гидрофобности, на передвижение капель влияет и адгезия — сцепление с поверхностью. Например, у лотоса гидрофобная поверхность с низкой адгезией, значит вода легко стекает с листьев, а у розы — поверхность с высокой адгезией, поэтому она задерживает воду и мешает ей двигаться.

Гидрофобность помогает придать водонепроницаемые свойства разным вещам — например водоотталкивающей одежде и костюмам для аквалангистов, металлам (так можно повышать их устойчивость к коррозии, снижать степень биообрастания и защищать от обледенения) или очкам и пластиковым окнам, чтобы защитить их от запотевания и загрязнений.


Поверхность пластины нержавеющей стали с гидрофобными свойствами полученными за счет лазерного воздействия.

Гидрофильность — любовь к воде. Техасская рогатая ящерица умеет собирать и перемещать по своему телу конденсат, чтобы пить его в течение жаркого дня в пустыне Северной Америки. Как ей это удается? Все дело в том, что чешуйки ящерицы образуют систему гидрофильных трубочек, по которым в нужном направлении стекает вода. Это происходит, даже если животное движется вверх головой. Такой эффект называют капиллярным.

В индустрии свойство гидрофильности используется, чтобы создавать впитывающие материалы — ткани для одежды, медицинскую минеральную вату, косметику для лица и тела и многое другое. Также гидрофильность позволяет повысить адгезию у разных материалов (древесины или металла), чтобы их было легче красить или покрывать лаком.

Демонстрационный стенд лазерно-индуцированной гидрофобной и гидрофильной поверхности на нержавеющей стали: верхняя пластина обладает гидрофобными свойствами, и вода отскакивает от поверхности пластины, нижняя — гидрофильным

Микс гидрофильности и гидрофобности. Но в природе есть и животные, которые сочетают в себе сразу несколько свойств. Один из таких примеров ―намибийский жук. Его панцирь покрыт гидрофобными и гидрофильными полосками. По утрам, когда жук забирается на высокую дюну, поднимает брюшко вверх, а голову опускает вниз, конденсат от тумана собирается на гидрофильных полосках на спинке и спускается вниз к голове по гидрофобным полоскам.

 

Поверхность пластины нержавеющей стали с двумя функциональными зонами: верхняя — гидрофобная, нижняя — гидрофильная. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS

Поверхность пластины нержавеющей стали с двумя функциональными зонами: верхняя — гидрофобная, нижняя — гидрофильная. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS

Инженер Института лазерных технологий и аспирантка первого курса Надежда Щедрина воспользовалась этим примером из природы и воспроизвела аналогичные свойства на металле. На поверхности образца с помощью лазерного излучения создается градиент смачивания, который представляет из себя последовательно расположенные обработанные участки — от гидрофобного к гидрофильному. Когда каплю воды помещают на более гидрофобный участок, она перетекает в сторону более гидрофильного. Такие материалы со смешанными свойствами можно использовать, чтобы решать разные задачи — отводить конденсат и собирать таким образом воду и создавать медицинские микрофлюидные системы. Например, если сделать несколько разветвленных полосок из участков с разными свойствами, при передвижении капля крови разделится надвое и потечет по разным желобам, в конце которых будут разные реагенты. В зависимости от того, в какой цвет окрасятся две капли, врач сможет сделать вывод о состоянии здоровья пациента.

 

Надежда Щедрина открывает зажим на капельнице, чтобы обеспечить доступ воды на поверхность пластин из нержавеющей стали для демонстрации работы стенда. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS

Надежда Щедрина открывает зажим на капельнице, чтобы обеспечить доступ воды на поверхность пластин из нержавеющей стали для демонстрации работы стенда. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS

Защита от биообрастания. Гидрофобные свойства лотоса и розы вдохновили ученых Института лазерных технологий и на создание специальных поверхностей для кораблей, которые помогут уменьшить обрастание биопленкой и микроорганизмами. В результате исследователи разработали гидрофобную микроструктуру, у которой размер лунок меньше среднего размера микроорганизмов. Эксперименты показали, что в стоячей воде Финского залива биообрастание не происходит, так как микроорганизмы не помещаются в лунки и не могут зацепиться за поверхность. В отличие от традиционных методов защиты от обрастания (тех же красок или смол), такой способ с использованием специальных поверхностей, модифицированных с помощью лазерного воздействия, оказался более экономичным и экологичным.

 

Лазерно-индуцированный биомиметический рельев «Роза» на поверхности стали. Изображения слева направо: степень биообрастания на поверхности стали до лазерной обработки на снимке с флюорисцентного микроскопа, снимок с оптического микроскопа поверхности стали после лазерной обработки и степень биообрастания на поверхности стали после лазерной обработки на снимке с флюорисцентного микроскопа. Фото представлено исследователями. 

Лазерно-индуцированный биомиметический рельев «Роза» на поверхности стали. Изображения слева направо: степень биообрастания на поверхности стали до лазерной обработки на снимке с флюорисцентного микроскопа, снимок с оптического микроскопа поверхности стали после лазерной обработки и степень биообрастания на поверхности стали после лазерной обработки на снимке с флюорисцентного микроскопа. Фото представлено исследователями. 

Биосовместимость и антибактериальность. А если перед учеными стоит другая задача — помочь микроорганизмам закрепиться на поверхности материала и ускорить процесс регенерации тканей? Чтобы ее решить, сотрудники и студенты Института лазерных технологий повторили в одной из функциональных зон дентальных имплантов структуру и форму остеона — структурной единицы компактной костной ткани человека. Благодаря этому решению клетки костной ткани (остеоциты) эффективнее размножаются на поверхности и надежнее закреляются на ней за счет созданного биомиметического рельефа. А чтобы уменьшить распространение бактерий в пришеечной зоне имплантата на границе компактной кости и десны, исследователи с помощью лазерного воздействия создают другой тип покрытия — биосовместимые оксиды титана. При активации ультрафиолетовым излучением они приобретают антибактериальные свойства. В будущем ученые планируют подробнее исследовать, как параметры ультрафиолетового излучения влияют на антибактериальные свойства.

«Чтобы бороться с биообрастанием, мы хотим попробовать сымитировать чешую акулы. Научные исследования говорят, что поверхность тела этой рыбы снижает биообрастание и трение, поэтому, если мы перенесем эти свойства на корпус корабля, сможем бороться с двумя проблемами одновременно. В будущем будет интересно создавать многофункциональные материалы, которые сочетают в себе несколько свойств — например, биосовместимость и антибактериальность или устойчивость к трению и биообрастанию», — подчеркивает Надежда Щедрина.

 

Лазерно-индуцированный биомиметический рельев на поверхности титана: слева снимок поверхности титана со сканирующего электронного микроскопа, справа снимок мезенхимальных стволовых клеток на поверхности биомиметического рельефа с флюорисцентного микроскопа. Фото представлено исследователями. 

Лазерно-индуцированный биомиметический рельев на поверхности титана: слева снимок поверхности титана со сканирующего электронного микроскопа, справа снимок мезенхимальных стволовых клеток на поверхности биомиметического рельефа с флюорисцентного микроскопа. Фото представлено исследователями. 

Оптические иллюзии на поверхности. С помощью лазера можно создавать материалы, которые не только будут отталкивать или притягивать жидкости, но и менять цвет под разным углом. Этот эффект ученые позаимствовали у бабочки Морфо. Дело в том, что структура ее крыльев похожа на ель, ветви которой становятся более широкими к основанию. «Ствол» ели — это тонкая пленка, которая создает интерференционный эффект и дает бабочке преимущественно голубой цвет. А «ветви» ели служат дифракционными решетками. Они заставляют голубой цвет переливаться другими цветами радуги, создавать объем изображения, а также проявлять и скрывать часть изображения, создавая эффект движения.

В жизни похожий эффект встречается, когда вы надуваете мыльные пузыри или разливаете на асфальт керосин. А с его помощью исследователи Института лазерных технологий могут создавать защитные голограммы на поверхности различных материалов. Эта технология помогает защитить банкноты и товары от подделок.

Также крылья бабочек покрыты наночешуйками, которые придают им окраску. Ученые переняли эту идею и с помощью осаждения частиц драгоценных металлов из плазменного факела сформировали слой из наночастиц на поверхности металлов. Он может изменять цвет за счет плазмонного резонанса. Но, как и чешуйки бабочки, такой слой легко стирается после прикосновения. Поэтому сейчас студенты Института лазерных технологий разрабатывают покрытие, способное защитить разноцветное напыление.

 

Защитные голограммы, записанные на поверхности нержавеющей стали за счет формирования на ней лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур. Слева — демонстрация эффекта смены наблюдаемого изображения при рассмотрении под разными углами. Справа — демонстрация эффекта анимации кинеграммы. Фото предоставлено исследователями

Защитные голограммы, записанные на поверхности нержавеющей стали за счет формирования на ней лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур. Слева — демонстрация эффекта смены наблюдаемого изображения при рассмотрении под разными углами. Справа — демонстрация эффекта анимации кинеграммы. Фото предоставлено исследователями.

Источник

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

 

Реклама наших партнеров