Eidechsen und Borkenkäfer ebnen den Weg für energiesparende Designs
Forscher des EU-finanzierten Projekts LiNaBioFluid haben sich unter Berücksichtigung der Energieeffizienz auf Biodesign konzentriert. Sie untersuchten zwei Hauptmerkmale von Maschinen: Schmierung und Reibungsreduzierung, um den Widerstand zu minimieren. „Dies ist ein sehr wichtiger Bereich, da in den Industrieländern jedes Jahr geschätzte 5 % des Bruttosozialprodukts durch Verschleiß und Abrieb verloren gehen“, kommentiert Projektkoordinator Dr. Emmanuel Stratakis. Die Lösungen basierten auf dem Verständnis der Rolle der Oberflächentopographie und der Benetzbarkeit für den Flüssigkeitstransport von Kapillarkanälen bis zu einer mikrostrukturierten Oberfläche, wo sie sich schließlich ausbreitet. Extrem effiziente Biomodelle – Wüstenechsen und Borkenkäfer Eidechsen können auch unter trockenen Bedingungen überleben, da sie dazu in der Lage sind, durch einen gerichteten Wassertransport Feuchtigkeit auf ihrer Haut zu sammeln. Südamerikanische Rindenwanzen verfügen auf ihrem äußeren Integument über einzigartige Benetzungseigenschaften, um sich bei Regen zu tarnen. Für ein weiteres nützliches Modell, das ebenfalls den gerichteten Flüssigkeitstransport betrifft, befassten sich die Forscher mit dem Transport einer ölhaltigen Abwehrflüssigkeit innerhalb der Duftdrüsen von europäischen Wanzen (Heteroptera). Vom Modell zum Material Mithilfe der Elektronenmikroskopie analysierten die Wissenschaftler von LiNaBioFluid bestimmte Merkmale, die für die außergewöhnlichen Eigenschaften verantwortlich sind. Die Strukturen wurden daraufhin mittels fortschrittlicher Lasertechnologie auf harten anorganischen Materialien wie Silizium, Stahl, Bronze und Titanlegierungen dupliziert. Im Anschluss wurden ihre Eigenschaften in Bezug auf Reibungsreduzierung und Flüssigkeitstransport getestet. Auf diese Weise gelang es, die Effizienz insgesamt zu steigern. Im Demonstrator konnte durch biomimetische Laserstrukturierung eine Reibungsreduzierung von bis zu 50 % erreicht werden. Der Öltransport gegen die Schwerkraft wurde erfolgreich unter Mangelschmierbedingungen durchgeführt. Darüber hinaus konnte ein schnellerer Öltransport auf biomimetischem laserstrukturiertem Stahl umgesetzt werden. Das Team stellte die biomimetischen Strukturen auf großen Flächen von bis zu zehn Quadratzentimetern her. Sie befassten sich auch mit der Bearbeitung von unebenen Bereichen, die in Wellen eingesetzt werden können, die sich innerhalb von Lagergehäusen in einem Schmiermedium drehen. Dieses Mal stammten viele Ideen von den Hautstrukturen von Haien und Schlangen. Die Ergebnisse zeigten eine Reduzierung des Reibungskoeffizienten um 50 % für den Demonstrator von Stahlwellen in Motoröl gegenüber Stahllagergehäusen. Anwendungen in verschiedenen Bereichen Weitere Erfolge bezogen sich auf das enorme Anwendungspotenzial der biomimetischen Laserstrukturierung. Neue Arten biomimetischer und nanoskaliger Strukturen in Metallen, Halbleitern, Glas und Polymeren könnten in Anwendungen in Bereichen wie Optik, Photonik, Mikrofluidik, Biomedizin, Nanoelektronik und Solarenergie eingesetzt werden. „Schließlich wurden große Fortschritte bei der Entwicklung der Prozesse, die im Zuge fortschrittlicher Strategien der Laserstrukturierung verwendet werden, sowie beim Verständnis komplexer Laser-Materie-Interaktionsprozesse erzielt“, so Dr. Stratakis. Die Replikation von Polymeren, wie zum Beispiel von lasergefertigten biomimetischen Strukturen in Metallen, wird den Anwendungsbereich stark erweitern und eine Massenproduktion bei reduzierten Kosten ermöglichen. Die Zukunft der Biomimetik im Konstruktionsdesign Patienten könnten von Titanimplantatoberflächen mit laserinduzierten Mikrostrukturen profitieren, die von Blut und Körperflüssigkeiten benetzt werden können und gleichzeitig ein Überwachsen durch Gewebe und Zellen verhindern. Auf dieses unerwartete Ergebnis soll im Rahmen des Folgeprojekts CellFreeImplant der Initiative FET Innovation Launchpad weiter eingegangen werden. Die unerwarteten Antireflexionseigenschaften von biologisch inspirierten laserinduzierten Mikrostrukturen sind durch ein anhängiges Patent geschützt und werden im Rahmen des zweiten Projekts von FET Innovation Launchpad namens LaBionicS, einem Folgeprojekt von LiNaBioFluid, weiter untersucht. „Am wichtigsten war jedoch, dass ein Patent im Zusammenhang mit der von LiNaBioFluid entwickelten Technologie mit dem Titel ‚Laser fabricated superoleophilic metallic component with oil retention properties for friction reduction‘ nach Projektende von der Stiftung für Forschung und Technologie Hellas und dem Nationalen Forschungsrat in Spanien angemeldet wurde“, schließt Dr. Stratakis.
Schlüsselbegriffe
LiNaBioFluid, biomimetisch, Reibungsreduzierung, Eidechse, Borkenkäfer, Flüssigkeitstransport, laserinduziert
