Apa ca „clei” pentru o elasticitate sporită, atașarea umedă a structurilor biomimetice

Apa ca „clei” pentru o elasticitate sporită, atașarea umedă a structurilor biomimetice
Science Advances (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abm9341″ width=”800″ height=”319″/>

Bioinspirația și implementarea ei în atașamentul subacvatic. (A) Ventuze de caracatiță vie (credit foto: Eduard Arzt, autor) (B) Microstructură în cupă utilizată pentru testele de atașare subacvatică: (i) imagine schematică și (ii) microscop electronic cu scanare. (C) Ilustrații ale microcupei testate împotriva unei plachete de siliciu cu și fără o microgăură, care este aliniată cu centrul cupei și (D) stresul de tragere din testele în aer și sub apă împotriva plachetei cu / fără o microgăură la viteze diferite. Credit: Progresele științei (2022).DOI: 10.1126 / sciadv.abm9341

În natură, caracatița, peștele și larvele folosesc cupe biologice moi pentru a se atașa de suprafețele sub apă. Cercetătorii au dezvoltat recent astfel de cupe bioinspirate, dar mecanismele lor de atașare și detașare rămân evazive. În această lucrare, Yue Wang și o echipă de cercetare în materiale noi , iar știința și ingineria mecanică, în Germania și SUA, au arătat cum elasticitatea -hidrodinamica îmbunătățită a îmbunătățit auto-vindecarea și aspirația ridicată la interfața cu substratul cupei pentru a transforma apa în „clei.” Echipa a dezvoltat un model matematic pentru a descrie interacțiunea Prin urmare, dacă procesul era prea lent, caracatița nu s-ar putea atașa, dacă valul era prea blând pentru larve, apa nu putea servi drept lipici. Conceptul de lipici de apă poate pentru aceasta. să fie utilizat pentru strategii inovatoare de transport subacvatic și de fabricație. Studiul este acum publicat în Progresele științei..

Apa ca lipici

Apa nu este de obicei un adeziv, deoarece emite forțe intermoleculare și împiedică contactul strâns între două corpuri solide. Suprafețele hidrofile sunt în general separate prin Prin urmare, limitările se dovedesc dificile pentru atașarea reversibilă în condiții umede. În această lucrare, Wang și colab. au propus să inverseze. Ventuzele nu se atașează prin aderență intermoleculară, ci printr-o presiune diferențială și, prin urmare, rolul apei și o transformă în lipici. , pentru a imita animale acvatice, cum ar fi caracatița, peștișorul și remoras, care folosesc ventuze pentru atașarea la suprafață și locomoție. termenul „atașament” poate descrie mai bine un astfel de comportament. Oamenii de știință din materiale au format mai multe ventuze bioinspirate pentru aplicații subacvatice ca o strategie puternică de atașare în atât apă, cât și aer. Wang și colab.. Au proiectat o ventuză miniaturizată pentru a face lumină asupra naturii atașării și au folosit litografie avansată cu doi fotoni și modelare la scară submilimetrică pentru a forma microcupe de poliuretan care conțin o tulpină și c. Echipa a dezvoltat un senzor de presiune încorporat pentru a măsura presiunea din cupă și a folosit un model matematic pentru a crea o înțelegere mai profundă a atașării într-un mediu umed.

  • Apa ca „clei” pentru elasticitate a îmbunătățit atașarea umedă a structurilor biomimetice

    Experimente de extragere cu microsensor de presiune încorporat. (A) Schema substratului cu o gaură și o membrană moale care acționează ca senzor de presiune; (B) imagine microscopică in situ a ventuzei și a senzorului; (C) îndoirea membranei imagini la începutul retragerii și aproape de tragere (D) Forța de atașare F0 înregistrată de la celula de sarcină, presiunea lichidului p calculată din deformarea membranei și forța de aspirație Fsucția estimată pe baza presiunii lichidului p. (E) Schema subacvatică experimente cu măsurarea presiunii in situ; (F) model mecanic simplificat; (G) distribuția presiunii de aspirație de-a lungul buzei de contact și forțele care acționează asupra buzei; (H) rata de schimbare a forței și a presiunii; (I) comparație între modelul teoretic predicții și date experimentale (J) Evoluția forței în timp la diferite viteze de retragere, model versus experiment. Credit: Progresele științei (2022).DOI: 10.1126 / sciadv.abm9341

  • Apa ca „clei” pentru elasticitate a îmbunătățit atașarea umedă a structurilor biomimetice

    Observarea a trei moduri de detașare și comparare cu previziunile teoretice (A) Modul I: Cupa se detașează la începutul retragerii (I) Evoluția estimată a forței arcului Fs și a forței de atașare FAspirația pentru buza cupă mică; (ii) Date experimentale când cupa buza L este de 5 și 10 μm; (iii) imagini in situ ale detașării când L = 10 μm. (B) Modul II: Cupa se detașează după ce se dezvoltă aspirația: (i) evoluția prevăzută a forței arcului Fs și a forței de atașare F Aspirația pentru cupa mare buză; (ii) date experimentale când buza cupei L este de 20 și 40 μm; (iii) imagini in situ ale detașării atunci când L = 40 μm. (C) Modul III: Cupa se desprinde prin flambarea buzei (în afara planului): (i) evoluția prognozată a forței arcului Fs și a forței de atașare F aspirație atunci când este testată pe un substrat plat; (ii) date experimentale când buza cupei L este de 10 și 40 μm față de un substrat plat; (iii) imagini in situ ale detașării când L = 10 μm. Credit: Progresele științei (2022).DOI: 10.1126 / sciadv.abm9341

Rolul forțelor van der Waals în ventuze subacvatice și senzori de presiune

Lucrarea a arătat că presiunea de aspirație joacă un rol minor, în timp ce interacțiunile van der Waals dominau atașamentul la microscara în condiții uscate, în aer.Sub apă, comportamentul s-a inversat pentru a implica contribuții neglijabile prin forțele van der Waals, în timp ce presiunea lichidului hidrostatic au contribuit la atașament. Experimentele nu au eliminat forțele van der Waals ca potențial contributor și au sugerat dezvoltarea unui senzor de presiune încorporat pentru a conduce mai departe. Configurația a furnizat o măsurare a presiunii, iar Wang și colab. au montat o cameră. Senzorul de presiune. conținea o cameră cu o diafragmă atașată la substrat printr-o deschidere, astfel încât presiunea din interiorul cupei și din cameră să rămână aceeași, pe lateral pentru a capta deviațiile membranei, în timp ce folosea software-ul ImageJ pentru a măsura mișcarea relativă în configurație. Echipa a descris un mecanism de auto-etanșare care a condus la soluția de tip feedforward și detașarea cupei. Apoi au investigat mecanismul de detașare în profunzime și au observat cum cupele mai mici au făcut pentru o atașare mai puternică, amintind de paradigma „mai mic este mai puternic” pentru solide.

Apa ca „clei” pentru elasticitate a îmbunătățit atașarea umedă a structurilor biomimetice

Mecanismul de flambaj în timpul retragerii. (A) Vedere laterală schematică a cupei: (i) Buza atinge doar substratul; (ii) cupa este apăsată pe substrat cu R2> R1; (iii) la tragere, raza (Ii) La tragere, R3 Science Advances (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abm9341

Outlook

În acest fel, Yue Wang și colegii săi au prezentat mecanisme detaliate de atașare prin microcupe deformabile în care apa a servit drept lipici adeziv între două suprafețe, cum ar fi o cană și un substrat sub apă, la fel ca în cazul caracatiței și al peștișorilor observați în natură. natură. atașarea într-un mediu umed care diferă în principal de atașarea în aer.Ei au afișat mecanismele de detașare în hărțile de proiectare și, pe baza rezultatelor, prevăd caracteristici promițătoare pentru aplicațiile robotice în micro-dimensiuni, sub apă.


Plasturele adeziv inspirat de caracatiță funcționează sub apă


Mai multe informatii:
Yue Wang și colab., Apa ca „clei”: atașarea umedă îmbunătățită cu elasticitate a structurilor microcupelor biomimetice, Progresele științei (2022).DOI: 10.1126 / sciadv.abm9341

Uri Raviv și colab., Fluiditatea apei limitată la filme subnanometre, Natură (2002).DOI: 10.1038 / 35092523

Furnizat de Science X Network

© 2022 Science X Network

Citare: Apa ca „clei” pentru o elasticitate îmbunătățită, atașarea umedă a structurilor biomimetice (2022, 29 martie) preluată la 29 martie 2022 de la https://phys.org/news/2022-03-elasticity-biomimetic.html

Acest document este supus dreptului de autor. În afară de orice tranzacție echitabilă în scopul studiului sau cercetării private, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este furnizat doar în scop informativ.

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.