Zikaden könnten das Geheimnis selbstreinigender Oberflächen bergen – neue Studie

Die Natur inspiriert Wissenschaftler immer wieder. Einige Ideen befinden sich noch in der Forschung, z Vom Biber inspirierte superwarme Neoprenanzüge. Aber andere sind bereits Teil des menschlichen Lebens, wie Klettverschlüsse (basierend auf Klettenkletten) und der japanische Hochgeschwindigkeitszug (dem langen, schmalen Schnabel des Eisvogels nachempfunden).

Zikaden inspirierten mein Team aktuelle Forschung in selbstreinigende Oberflächen.

Es kann sich wie ein nie endender Kampf gegen die Kräfte von Schmutz und Staub anfühlen, die Scheiben Ihres Autos makellos sauber zu halten. Aber Insekten wie Zikaden haben einen faszinierenden Trick im Ärmel, der ihre Flügel makellos hält, ohne dass das Insekt sich dafür anstrengen muss. Und es könnte der Schlüssel dazu sein, uns den Aufwand ständiger Reinigung zu ersparen.

Die Studie meines Teams untersuchte den Mechanismus hinter diesem Selbstreinigungsprozess.

Dank der besonderen Beschaffenheit der Zikadenflügel kondensiert der Morgentau auf ihnen und wächst allmählich zu kleinen Wassertröpfchen heran. Diese Tröpfchen entfernen Staubpartikel und Mikroorganismen, wenn sie miteinander kollidieren oder über die Flügel des Insekts rollen.

Zikaden sind nicht die einzigen Insekten, die einen selbstreinigenden Körper entwickelt haben. Viele Schmetterlinge haben Flügel, die sich selbst reinigen können. Andere Kreaturen mögen Geckos und bestimmte Pflanzenblätter, wie z Lotus Und ReisWie Zikaden nutzen sie auch die Tröpfchenbewegung, um sich staubfrei zu halten. Diese sich bewegenden Tröpfchen tragen auch zur Entfernung von Bakterien bei und verringern so das Infektionsrisiko.

Wenn eine Flüssigkeit auf den meisten Oberflächen verschüttet wird (denken Sie an eine umgekippte Tasse Kaffee), verteilt sie sich einfach über die Fläche und bleibt dort.

Aber Tautröpfchen verhalten sich auf Zikadenflügeln anders, weil Ingenieure etwas „Superhydrophobie“ oder extreme Wasserabstoßung nennen. Die Oberfläche der Zikadenflügel weist eine komplexe Anordnung auf aus Tausenden winziger, mit Wachs überzogener Zapfen. Wassertropfen auf dem Flügel nehmen eine perlenartige Form an, weil sie den Kontakt mit der Flügeloberfläche minimieren wollen. Dies liegt an dem wasserabweisenden Wachs und den konischen Spitzen, die verhindern, dass kugelförmige Wassertropfen in die Flügelmembran eindringen.

Dies würde wie ein vollständig aufgeblasener Ballon aussehen, der über einem Nagelbett platziert ist. Es platzt nicht, da der Druck auf alle Nägel verteilt wird. Bei Tröpfchen ermöglichen die mit Wachs beschichteten Zapfen eine mühelose Bewegung der Tröpfchen auf den Flügeln der Zikaden.

Springende und rollende Wassertropfen

Frühere Studien zeigten die Schwerkraft, lässt größere Tröpfchen über die wachsartigen Flügel der Zikaden rollenund nehmen auf ihrer Reise zahlreiche Schadstoffe auf.

Bisher war jedoch unklar, wie kleinere Tröpfchen, die zu klein sind, um von der Schwerkraft angezogen zu werden, den Schmutz aufnehmen. Wir haben herausgefunden, dass kleine Tröpfchen im Laufe der Zeit mit ihren Nachbarn verschmelzen.

Der verschmolzene Tropfen springt von der Oberfläche ab, anstatt abzurollen. Während des Sprungs nimmt der Tropfen eine Form an, die einem Heißluftballon ähnelt, der gerade vom Boden abhebt. Unsere Studie ergab, dass diese Heißluftballonform entscheidend dafür ist, dass Tröpfchen Schmutz von der Oberfläche wegtragen können.

Springende Wassertropfen

Es stellt sich heraus, dass es die Oberflächenspannung des Flüssigkeitströpfchens ist, die den Schmutz aufnimmt, während das Tröpfchen die Form eines Heißluftballons hat. Die Oberflächenspannung ist die Tendenz von Tröpfchen, die der Luft ausgesetzt sind, eine Kugelform beizubehalten. Wenn ein Tropfen mit Schmutz darunter die Form eines Heißluftballons annimmt, versucht er, sich in eine Kugel umzuwandeln. Dabei wird der Schmutz unbeabsichtigt von der Oberfläche abgezogen.

Wir haben auch festgestellt, dass Wassertropfen auf diese Weise nicht alle Verunreinigungen entfernen können. Beispielsweise können Wassertropfen auf den Flügeln von Zikaden zwar winzige Sandpartikel entfernen, solche aus Ruß jedoch nicht.

Wir haben auch herausgefunden, dass der Mechanismus zum Entfernen von Verunreinigungen von einer Oberfläche derselbe bleibt, unabhängig davon, ob Tröpfchen springen oder rollen. Wenn ein größerer Tropfen am Schmutz vorbeirollt, verformt sich seine Oberfläche. Der Tropfen versucht, seine natürliche Kugelform beizubehalten, wodurch, wie bei verschmolzenen Tropfen, der Schmutz von der Oberfläche abgezogen wird.

Naturtechnik

In Zukunft können Ingenieure das, was wir über Zikadenflügel gelernt haben, in Produktdesigns integrieren, und wir müssen möglicherweise kein Wasser mehr spritzen und unsere Fensterscheiben und andere Oberflächen nicht mehr abwischen, weil sie sich selbst reinigen.

Stellen Sie sich Wolkenkratzerfenster, Sonnenkollektoren und Überwachungskameraobjektive vor, die sich selbst reinigen können. Eine superhydrophobe Beschichtung kann auch dazu beitragen, im Winter die Bildung von Frost auf verschiedenen Oberflächen zu verhindern – beispielsweise auf der Windschutzscheibe Ihres Autos.

Dies wird eine gute Ergänzung zur Liste der bevorstehenden Upgrades unserer bestehenden Infrastruktur sein Von der Pflanzenblattstruktur inspirierte, effiziente Solarmodule und von Termitenhügeln inspirierte Gebäude mit effektiverer Belüftung in Städten auf der ganzen Welt.

Selbst an den urbansten Orten ist die Natur überall um uns herum.

Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Die Unterhaltung unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das originaler Artikel.