Geïnspireerd door een waterspin hebben onderzoekers een nieuw oppervlaktemateriaal gecreëerd dat maandenlang droog blijft onder water en zeer goed bestand is tegen de aanhechting van bacteriën en zeeleven zoals zeepokken. Ze zeggen dat het oppervlaktemateriaal eenvoudig te produceren, schaalbaar is en brede praktische toepassingen heeft.

Wat in de natuur werkt, werkt vaak ook voor mensen. Het probleem is het creëren van de benodigde bio-geïnspireerde materialen met behulp van bestaande tools, wat soms gemakkelijker gezegd dan gedaan is.

Nu hebben onderzoekers onder leiding van de John Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) van Harvard precies dat gedaan, door een superhydrofoob metalen oppervlak te ontwikkelen, geïnspireerd door een waterspin; dat wil zeggen, het stoot water af en kan maandenlang onder water droog blijven.

Joanna Aizenberg, een van de co-auteurs van de studie, zei: "Bio-geïnspireerd materiaalonderzoek is een buitengewoon opwindend veld dat elegante oplossingen blijft brengen die in de natuur zijn geëvolueerd naar het rijk van door de mens gemaakte materialen, waardoor we nieuwe materialen met ongekende eigenschappen kunnen introduceren. Deze studie illustreert hoe het blootleggen van deze principes kan leiden tot de ontwikkeling van oppervlakken die onder water superhydrofoob blijven."

Argyroneta Aquatica, ook bekend als de duikende klokspin, is de enige spin waarvan bekend is dat hij bijna volledig onder water leeft. Miljoenen ruwe, hydrofobe villi houden lucht rond het lichaam vast, creëren een zuurstofreservoir en vormen een barrière tussen de longen van de spin en het water. De dunne luchtlaag die door het haar van de spin wordt opgesloten, wordt het plastron genoemd.

Onderzoekers weten al tientallen jaren dat het theoretisch mogelijk is om een ​​stabiel onderwaterchassis te creëren. In de praktijk zou het creëren van een ruw oppervlak zoals een duikklokspin het oppervlak echter minder mechanisch sterk maken en gevoelig voor kleine veranderingen in temperatuur en druk. En bij eerdere experimenten konden oppervlakken maar een paar uur droog blijven.

Onderzoekers weten dat de bevochtigbaarheid zeer gevoelig is voor oppervlakte-eigenschappen op moleculair niveau en sterk wordt beïnvloed door de oppervlaktetopografie. Dus creëerden ze een aërofiel titaniumoppervlak – dat wil zeggen een oppervlak dat lucht- of gasbellen aantrekt en verdrijft – en gebruikten elektrochemische oxidatie om een ​​oxidelaag te vormen, terwijl de gevormde oxiden chemisch werden opgelost om ruwheid op nanometerschaal te produceren.

Om de stabiliteit van het oppervlak te testen, onderwierpen de onderzoekers het aan buigen, draaien, heet en koud water en schuren door zand en staal, en ontdekten dat het aërofiel bleef. Het werd meer dan 208 dagen onafgebroken in water geweekt (ten tijde van de publicatie van het onderzoek was het oppervlak nog steeds doordrenkt van water en vertoonde geen tekenen van afbraak) en honderden keren in een petrischaaltje gevuld met bloed. Het oppervlak vermindert de groei van E. coli en zeepokken aanzienlijk en verhindert volledig dat mosselen zich hechten.

Alexander Tesler, eerste auteur van de studie, zei: "We hebben een karakteriseringsmethode gebruikt die twintig jaar geleden door theoretici werd voorgesteld om aan te tonen dat ons oppervlak stabiel is, wat betekent dat we niet alleen een nieuw type extreem afstotend, extreem duurzaam superhydrofoob oppervlak hebben gecreëerd, maar dat we het opnieuw kunnen doen met verschillende materialen."

De onderzoekers zeggen dat het oppervlak meerdere toepassingen heeft. Het zou kunnen worden gebruikt in biomedische apparatuur om postoperatieve infecties te verminderen of corrosie van onderwaterleidingen en sensoren te voorkomen. Het kan ook worden gebruikt met een ander bio-geïnspireerd materiaal dat meer dan tien jaar geleden door het SEAS-team is ontwikkeld, genaamd synoviale vloeistof-geïnfuseerde poreuze oppervlaktetechnologie (SLIPS).

Stefan Kolle, co-auteur van de studie, zei: "De stabiliteit, eenvoud en schaalbaarheid van dit systeem maken het zeer waardevol in toepassingen in de echte wereld. Met de hier gepresenteerde karakteriseringsmethode laten we een eenvoudige toolkit zien waarmee je superhydrofobe oppervlakken kunt optimaliseren voor stabiliteit, wat de toepassingsruimte aanzienlijk verandert."

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials en twee video's hieronder, geproduceerd door SEAS, laten zien hoe het nieuwe oppervlak water en bloed afstoot.