Jaszczurki i korniki inspiracją dla energooszczędnych rozwiązań
W ramach finansowanego przez UE projektu LiNaBioFluid naukowcy poszukują rozwiązań w zakresie bioprojektowania pod kątem efektywności energetycznej. Z tego powodu przyjrzeli się dwóm kluczowym cechom maszyn: smarowaniu i redukcji tarcia w celu zminimalizowania oporów. „Jest to bardzo ważna dziedzina, ponieważ co roku straty z powodu zużycia i ścierania się elementów szacowane są na 5 % budżetów państw uprzemysłowionych”, komentuje dr Emmanuel Stratakis, koordynator projektu. Rozwiązania opierały się na zrozumieniu roli topografii powierzchni i zwilżalności w transporcie płynu, od kanalików kapilarnych po mikrostrukturalną powierzchnię, na której się rozprzestrzenia. Biomodele o ekstremalnej wydajności – jaszczurki pustynne i korniki Jaszczurki potrafią przetrwać w suchych warunkach, zbierając wilgoć na skórze dzięki kierunkowemu transportowi wody. Południowoamerykańskie korniki mają unikalne właściwości zwilżające ich zewnętrzną powłokę w celu uzyskania efektu kamuflażu podczas deszczu. Pod kątem innego użytecznego modelu, także dotyczącego kierunkowego transportu płynów, naukowcy wzięli na warsztat transport oleistej cieczy obronnej z gruczołów zapachowych u pluskwiaków różnoskrzydłych (Heteroptera). Od modeli do materiałów Wykorzystując mikroskopię elektronową, naukowcy współpracujący w ramach projektu LiNaBioFluid przeanalizowali cechy odpowiedzialne za te niezwykłe właściwości. Struktury te zostały następnie zduplikowane przy użyciu zaawansowanej technologii laserowej zastosowanej do twardych materiałach nieorganicznych, takich jak krzem, stal, brąz i stopy tytanu. Następnie przetestowano ich właściwości w zakresie redukcji tarcia i transportu płynów. Zaobserwowano poprawę wydajności we wszystkich obszarach. W przypadku stali w osiągnięto redukcję tarcia wynoszącą do 50 % dzięki biometrycznemu strukturyzowaniu laserowemu. Transport oleju w kierunku przeciwnym do działania grawitacji został osiągnięty w warunkach oszczędnego smarowania. Dodatkowo, zaobserwowano szybszy transport oleju na biomimetycznej powierzchni stalowej strukturyzowanej laserowo. Zespół wytworzył struktury biomimetyczne na dużych powierzchniach o wielkościach wynoszących do 10 centymetrów kwadratowych. Zajął się również obróbką powierzchni niepłaskich stosowanych w wałkach obracających się w osłonach łożysk w środku smarnym. Tym razem inspiracją była budowa skóry rekinów i węży. Wyniki wykazały 50-procentowe zmniejszenie współczynnika tarcia w przypadku demonstracyjnych wałów stalowych w oleju silnikowym w stosunku do stalowych panewek łożysk. Zastosowania w wielu sektorach Dalsze osiągnięcia dotyczyły ogromnego potencjału zastosowania biomimetycznego strukturyzowania laserowego. Nowe rodzaje struktur biomimetycznych i nanoskalowych w metalach, półprzewodnikach, szkłach i polimerach mogą być stosowane w optyce, fotonice, mikrofluidyce, biomedycynie, nanoelektronice i energii słonecznej. „Odnotowaliśmy też znaczne postępy w rozwoju procesów wykorzystywanych w zaawansowanych strategiach strukturyzacji laserowej, jak również w zrozumieniu złożonych procesów interakcji między materią i laserem”, mówi dr Stratakis. Na przykład replikacja polimerowa laserowo prefabrykowanych struktur biomimetycznych w metalach poszerzy zakres zastosowań i umożliwi masową produkcję po obniżonych kosztach. Przyszłość biomimetyki w projektowaniu inżynieryjnym Tytanowe implanty z mikrostrukturami wykonanymi przy pomocy lasera, które mogą być zwilżane krwią i płynami ustrojowymi, zapobiegając jednocześnie przerostowi tkanki i komórek mogą przynieść wiele korzyści pacjentom. Ten nieoczekiwany wynik zostanie wykorzystany w ramach kontynuacji projektu FET Innovation Launchpad o nazwie CellFreeImplant. Nieoczekiwane właściwości antyrefleksyjne inspirowanych biologicznie mikrostruktur kształtowanych laserowo są objęte ochroną patentową i będą dalej badane w ramach drugiego projektu FET Innovation LaBionicS będącego kontynuacją projektu LiNaBioFluid. „Co najważniejsze, patent związany z technologią opracowaną w ramach LiNaBioFluid, noszący nazwę »Laser fabricated superoleophilic metallic component with oil retention properties for friction reduction«, został zgłoszony przez Grecką Fundację Badań i Technologii i Hiszpańską Krajową Radę Badań po zakończeniu projektu”, podsumowuje dr Stratakis.
Słowa kluczowe
LiNaBioFluid, biomimetyczne, redukcja tarcia, jaszczurka, korniki, transport płynów, wytwarzanie laserowe
