Een onderzoeksteam van de RMIT Universiteit in Melbourne, Australië, heeft een nieuwe coatingtechnologie ontwikkeld die gebruik maakt van hoogfrequente geluidsgolven om vloeistoffen te verstuiven in aërosoldruppeltjes ter grootte van een micron, waardoor een uniforme en dichte "onzichtbare beschermlaag" ontstaat op verschillende fijne oppervlakken zonder het substraat te verwarmen of te beschadigen. Onderzoekers hebben deze methode voor het eerst toegepast op de bladeren van de gewone kamerplant Pothos (Epipremnum aureum), waardoor schadelijke ultraviolette (UV) stralen effectief worden geblokkeerd zonder de fotosynthese te beïnvloeden, wat op levendige wijze het zachte maar zeer effectieve vermogen aantoont om "kwetsbare levende organismen" te beschermen.

De kern van dit werk is het gebruik van akoestische microfluidics (acoustomicrofluidics) technologie om de vloeibare precursor te controleren, zodat deze wordt uitgerekt en "gebroken" op het oppervlak van een kleine chip die ultrahoogfrequente geluidsgolven van ongeveer 10 MHz kan genereren, waardoor een delicate aërosolwolk ontstaat. Wanneer deze druppels door de lucht vliegen en op een doeloppervlak worden afgezet, assembleren ze zichzelf tot een soort covalent organisch raamwerkmateriaal (COF's), waardoor een beschermende coating wordt gevormd die slechts microns dik is, maar een continue structuur en goed gedefinieerde functies heeft. Dit geïntegreerde proces van "verneveling + filmvorming" kan worden uitgevoerd bij kamertemperatuur en druk in de open lucht. Het vereist geen hoge temperaturen, langdurige reacties of strikte laboratoriumomgevingen die vaak worden gebruikt bij traditionele coatingprocessen, waardoor de eisen aan materialen en omgeving aanzienlijk worden verminderd.

Covalente organische raamwerken zijn een soort zeer poreuze en kristalgeordende materialen, vaak omschreven als "moleculaire steigers" met gaten op nanoschaal. Ze kunnen structureel worden ontworpen om meerdere functies te vervullen, zoals het absorberen van licht, het opvangen van specifieke chemicaliën of het beschermen van oppervlakken. Bij eerdere toepassingen was het constructieproces van COF's echter extreem "kieskeurig": het vereist meestal dat precursoren lange tijd bij hoge temperaturen reageren, het proces is complex en de omstandigheden zijn zwaar. Het is moeilijk op te schalen en niet geschikt voor gebruik op gevoelige substraten zoals plantenbladeren en flexibele films. Het onderzoeksteam wees erop dat het bij traditionele processen vaak nodig is om een ​​moeilijke keuze te maken tussen "het handhaven van de ordelijke structuur van het materiaal" en "het vermijden van schade aan het gecoate oppervlak", en het sonische vernevelingsplatform biedt een nieuwe manier om dit dilemma te doorbreken.

In dit experiment gebruikten de onderzoekers plantenbladeren als testobjecten om de prestaties van de coating op echte biologische oppervlakken te verifiëren: de COF-coating kan selectief schadelijke ultraviolette stralen absorberen terwijl zichtbaar licht vrijelijk doorlaat, waardoor planten de fotosynthese kunnen voortzetten. Uit het experiment bleek dat tijdens het hele proces van coating, UV-bestraling en daaropvolgende verwijdering van de coating de bladeren tijdens de testperiode (60 dagen) geen duidelijke tekenen van schade vertoonden, wat de balans tussen beschermend effect en biocompatibiliteit van deze "sonische zonnebrandspray" benadrukt. Het onderzoeksteam beschouwt dit als een ‘proof of concept’ en is van mening dat dit platform het potentieel heeft om gepromoot en toegepast te worden in meer realistische interfaces, apparaten en biologische systemen.

Wat de technische route betreft, heeft het akoestische microfluïdische platform een ​​ontwerp op chipniveau, dat klein van formaat en licht van gewicht is. Het werkingsprincipe is het continu uitrekken en splitsen van de precursorvloeistof die er doorheen stroomt in stabiele fijne druppeltjes door middel van ultrahoogfrequente akoestische trillingen die op het oppervlak van de chip worden gegenereerd. Wanneer deze neveldruppeltjes op verschillende oppervlakken worden afgezet, zorgen ze voor een zachte en zeer gecontroleerde coatingafzetting, zelfs op zachte weefsels zo dun als papieren handdoeken. De onderzoekers benadrukten dat deze methode "productie" en "coating" in één stap combineert, geen extra verwarming of complexe omgevingscontrole vereist, en duidelijke voordelen heeft in termen van procesvereenvoudiging en toepassingsgebied.

Wat de toepassingsvooruitzichten betreft, besteedt het onderzoeksteam meer aandacht aan het mogelijke gebruik van COF-coatings in zeer gevoelige materialen en nieuwe generatie apparaten, waaronder textiel, kunststoffen, glas, op silicium gebaseerde elektronische apparaten, enz. Veel nieuwe elektronische producten, sensoren en membraanmaterialen zijn extreem temperatuurgevoelig en zijn niet bestand tegen traditionele coatingprocessen. Ze hebben echter dringend oppervlaktebeschermingslagen nodig die bestand zijn tegen licht, corrosie of chemische aantasting. Sonische atomisatietechnologie vult deze proceskloof op. Wetenschappers die bij het onderzoek betrokken waren, wezen erop dat deze methode de mogelijkheden van COF's aanzienlijk uitbreidt van laboratoriummaterialen naar praktische toepassingen, waardoor een nieuwe situatie wordt geopend voor hun inzet in milieubescherming, functionele coatings en biotechnologie.

In termen van schaalbaarheid is het onderzoeksteam van mening dat dit akoestische platform op chipniveau zeer geschikt is voor integratie met onbemande systemen om verfijnde spuittaken over grote oppervlakken uit te voeren. Dankzij de miniaturisatie en de lage kosten van het apparaat kan het platform worden geïnstalleerd op drones of autonome voertuigen om gewassen of bosbladeren nauwkeurig te bedekken, waardoor grootschalige ‘vaste zonwering’ of ander functioneel spuiten in buitenomgevingen wordt bereikt. Gecombineerd met de voordelen van grootschalige productie die nanofabricage met zich meebrengt, verwachten onderzoekers dat deze technologie op grote schaal zal worden ingezet in toekomstige toepassingen op het gebied van biotechnologie en milieutechniek.

Momenteel heeft deze technologie een voorlopige patentaanvraag ingediend in Australië, en gerelateerde onderzoekspapers zijn gepubliceerd in het academische tijdschrift "Science Advances". Het onderzoeksteam verklaarde dat ze de stabiliteit en duurzaamheid van de coating onder langdurige blootstellingsomstandigheden in de natuurlijke omgeving verder zullen evalueren en de praktische oplossingen ervan zullen onderzoeken op het gebied van de bescherming van elektronische apparaten, chemische beschermende films en andere gevoelige interfaces. Hoewel vragen over de weerbestendigheid buitenshuis nog moeten worden beantwoord, heeft deze nieuwe methode voor het vervaardigen en aanbrengen van coatings, die afhankelijk is van geluidsgolven, het potentieel getoond om bestaande procesparadigma's te ontwrichten.