Geïnspireerd door de waterspin (Argyroneta aquatische spin) hebben onderzoekers een superhydrofoob oppervlak ontwikkeld met een stabiel chassis dat maanden onder water kan blijven. Dergelijke oppervlakken kunnen worden gebruikt op biomedische gebieden, zoals het verminderen van chirurgische infecties, en op industriële gebieden, zoals het voorkomen van pijpcorrosie.

Eén soort spin leeft zijn hele leven onder water, hoewel zijn longen alleen zuurstof uit de lucht kunnen inademen. Hoe wordt het gedaan? De spin, Argyroneta Aquatica genaamd, heeft miljoenen ruwe, hydrofobe haren op zijn lichaam. Deze haren houden de lucht rond het lichaam vast, vormen een zuurstofreservoir en fungeren als een barrière tussen de longen van de spin en het water.

Materiaalwetenschappers proberen al tientallen jaren deze dunne beschermende luchtlaag te exploiteren. Hierdoor ontstaan ​​superhydrofobe oppervlakken onder water die corrosie, bacteriegroei, hechting van zeeleven, chemische vervuiling en andere schadelijke effecten van vloeistoffen op oppervlakken voorkomen. Maar het blijkt dat plastrons onder water extreem onstabiel zijn en in het laboratorium maar een paar uur droog aan de oppervlakte kunnen blijven.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University, de Friedrich-Alexander Universiteit van Erlangen-Neurenberg in Duitsland en de Aalto Universiteit in Finland een superhydrofoob oppervlak ontwikkeld met een stabiel plasmamembraan dat maanden in water kan blijven. De algemene strategie van het team is het creëren van duurzame superhydrofobe onderwateroppervlakken die bloed afstoten en de aanhechting van bacteriën en mariene organismen zoals zeepokken en mosselen aanzienlijk verminderen of voorkomen, waardoor een scala aan toepassingen in de biogeneeskunde en de industrie wordt geopend.

"Bio-geïnspireerd materiaalonderzoek is een buitengewoon opwindend veld dat elegante oplossingen blijft brengen die in de natuur zijn ontwikkeld naar het rijk van door de mens gemaakte materialen, waardoor we nieuwe materialen kunnen introduceren met nooit eerder vertoonde eigenschappen", zegt Joanna Aizenberg, de Amy Smith Berylson hoogleraar materiaalkunde en hoogleraar scheikunde en chemische biologie bij SEAS, co-auteur van het artikel. "Deze studie toont aan dat het blootleggen van deze principes kan leiden tot de ontwikkeling van oppervlakken die superhydrofoob blijven in water."

Aizenberg is ook universitair hoofddocent bij het Wyss Institute. Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.

Onderzoekers weten al twintig jaar dat een stabiel onderwaterchassis theoretisch mogelijk is, maar tot nu toe konden ze dit niet experimenteel bewijzen.

Een van de grootste problemen met plastrons is dat ze een ruw oppervlak nodig hebben om zich te vormen, zoals de haren van Argyroneta aquatica. Maar deze ruwheid maakt het oppervlak mechanisch onstabiel, vatbaar voor kleine verstoringen in temperatuur, druk of kleine onvolkomenheden.

Het aërofiele oppervlak, gemaakt van een veelgebruikte en goedkope titaniumlegering, heeft een duurzaam plasmamembraan en blijft droog nadat het honderden keren in bloedkweekschalen is geweekt. Bron afbeelding: Alexander B. Tesler/Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Innovatieve technologieën en ontdekkingen

De huidige technieken voor het evalueren van kunstmatig geproduceerde superhydrofobe oppervlakken houden slechts rekening met twee parameters, die niet voldoende informatie verschaffen over de stabiliteit van luchtdeeltjes onder water. Aizenberg, Jaakko V.I. Timonen en Robin H.A. Ras van de Aalto Universiteit, en Alexander B. Tesler en Wolfgang H. Goldmann van de Universiteit van Florida en hun teams bepaalden meer parameters, waaronder oppervlakteruwheid, hydrofobiciteit van oppervlaktemoleculen, oppervlaktedekking, contacthoek en andere informatie.

Met behulp van deze nieuwe aanpak en een eenvoudige fabricagetechniek heeft het team een ​​zogenaamd aërofiel oppervlak ontwikkeld met behulp van een veelgebruikte, goedkope titaniumlegering met een langdurig plasmamembraan dat het oppervlak duizenden uren beter droog houdt dan eerdere experimenten en zelfs langer meegaat dan de plasmamembranen van biologische soorten.

"We hebben een karakteriseringsmethode gebruikt die twintig jaar geleden door theoretici is ontwikkeld 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 ook een manier hebben om dit opnieuw te doen met verschillende materialen", zegt Tesler, die als postdoctoraal onderzoeker werkte bij SEAS en het Wyss Institute en de eerste auteur van het artikel is.

Om de stabiliteit van de pluim te bewijzen, voerden de onderzoekers verschillende tests uit op het oppervlak: buigen, draaien, besproeien met warm en koud water en polijsten met zand en staal om te voorkomen dat het oppervlak aerofiel blijft. Het werd 208 dagen in water geweekt en honderden keren in petrischalen met bloed. Het vermindert de groei van E. coli en zeepokken op het oppervlak ernstig en voorkomt volledig dat mosselen zich hechten.

"De stabiliteit, eenvoud en schaalbaarheid van dit systeem maken het zeer waardevol voor praktische toepassingen", zegt co-auteur Stefan Kolle, een afgestudeerde student bij SEAS. "Met de hier gedemonstreerde karakteriseringsmethode demonstreren we een eenvoudige toolkit om superhydrofobe oppervlakken te optimaliseren voor stabiliteit, wat de toepassingsruimte dramatisch verandert."

Goldman, senior auteur van het artikel en voormalig onderzoeker aan de Harvard Universiteit, zei dat deze toepassingsruimte biomedische toepassingen omvat om postoperatieve infecties te verminderen of als biologisch afbreekbare implantaten zoals stents. Het kan ook onder water worden gebruikt om leidingen en sensoren tegen corrosie te beschermen. In de toekomst zou het zelfs kunnen worden gecombineerd met ultragladde coatings genaamd SLIPS (vloeistofdoordrenkte poreuze oppervlakken) die Eisenberg en haar team meer dan tien jaar geleden ontwikkelden om oppervlakken verder te beschermen tegen vervuiling.