Природа в микро- и наноструктурах

Ученые уже довольно давно могут изменять свойства поверхностей разных материалов, например, превращая их из гидрофобных (отталкивающих воду) в гидрофильные (наоборот ― притягивающие воду). Чтобы повлиять на свойства материала, исследователи воздействуют на его поверхность и создают на ней нужную микрогеометрию (морфологию) разными способами — с помощью химических реагентов или станков с числовым программным управлением.

Но эти методы эффективны далеко не всегда. Например, если ученым нужно изменить свойства поверхностей в нано- и микромасштабе или исследовать на наноуровне, как одно свойство влияет на другое (к примеру, как гидрофильность повлияет на биосовместимость или антибактериальность материала), нужно использовать другие подходы. Один из них — управлять морфологией поверхности материалов с помощью лазерного излучения. А варианты, как именно нужно изменить морфологию поверхности в каждом случае, исследователям подсказывает сама природа.

«Как нам помогает биомиметика? Например, индустриальные партнеры просят нас решить конкретные задачи — защитить поверхность корабля от биообрастания, создать антикоррозионное или антибактериальное покрытие. Первое, о чем мы думаем перед разработкой, — какие есть готовые решения в природе и как мы можем их адаптировать. Дальше на основе нашего опыта мы подбираем подходящий материал, среду обработки, источник лазерного воздействия и оптическую систему и затем воссоздаем природную структуру в лаборатории. В основном мы разрабатываем только морфологию поверхности живого организма, но для получения заданных свойств важен и химический состав поверхности. Например, мы можем создать структуру лотоса на изначально гидрофильной поверхности (это металлы или оксиды металлов), а структурирование только усилит ее гидрофильные свойства. Или можем разработать гидрофобную поверхность (это металлы с органическими покрытиями), а дополнительное структурирование сделает покрытие супергидрофобным», — рассказывает директор Института лазерных технологий ИТМО Галина Одинцова.

Прочитайте также:

Роботы + природа: что такое биомиметика и как она помогает создавать робособак, робокенгуру и даже робоулиток

Имплантаты, созданные по технологии ученых ИТМО, вышли на рынок

Международной команде ученых удалось создать компактный нанолазер с уникальными свойствами

Материалы с улучшенными свойствами

В Институте лазерных технологий ИТМО студенты и сотрудники развивают разные научные направления, связанные с биомиметикой. Среди них ― исследования гидрофильных и гидрофобных свойств материалов для управления смачиванием поверхности и направлением движения жидкостей (воды, краски, металла и многого другого), создание структур на поверхности материалов, которые позволяют повысить биосовместимость и антибактериальные свойства и защиту от биообрастания, биосовместимых и антибактериальных поверхностей, а также имитировать оптические свойства животных и насекомых.

Гидрофобность — боязнь воды. Некоторые растения, например настурция и водосбор, обладают эффектом лотоса. Из-за низкой поверхностной энергии листьев маленькие капли воды не растекаются по поверхности листьев, а наоборот ― собираются в несколько больших капель. Под собственной тяжестью они скатываются и захватывают вместе с собой частицы пыли и грязи. Так растения самоочищаются.

Это же свойство окружающей среды могут повторить и ученые, создав в искусственных условиях самоочищающуюся поверхность. Для этого они формируют микроструктуру с выступающими на ней пиками, на которых, в свою очередь, тоже есть такие же пики, но наноразмера. Но помимо гидрофобности, на передвижение капель влияет и адгезия — сцепление с поверхностью. Например, у лотоса гидрофобная поверхность с низкой адгезией, значит вода легко стекает с листьев, а у розы — поверхность с высокой адгезией, поэтому она задерживает воду и мешает ей двигаться.

Гидрофобность помогает придать водонепроницаемые свойства разным вещам — например водоотталкивающей одежде и костюмам для аквалангистов, металлам (так можно повышать их устойчивость к коррозии, снижать степень биообрастания и защищать от обледенения) или очкам и пластиковым окнам, чтобы защитить их от запотевания и загрязнений.

Поверхность пластины нержавеющей стали с гидрофобными свойствами полученными за счет лазерного воздействия.

Гидрофильность — любовь к воде. Техасская рогатая ящерица умеет собирать и перемещать по своему телу конденсат, чтобы пить его в течение жаркого дня в пустыне Северной Америки. Как ей это удается? Все дело в том, что чешуйки ящерицы образуют систему гидрофильных трубочек, по которым в нужном направлении стекает вода. Это происходит, даже если животное движется вверх головой. Такой эффект называют капиллярным.

В индустрии свойство гидрофильности используется, чтобы создавать впитывающие материалы — ткани для одежды, медицинскую минеральную вату, косметику для лица и тела и многое другое. Также гидрофильность позволяет повысить адгезию у разных материалов (древесины или металла), чтобы их было легче красить или покрывать лаком.

Демонстрационный стенд лазерно-индуцированной гидрофобной и гидрофильной поверхности на нержавеющей стали: верхняя пластина обладает гидрофобными свойствами, и вода отскакивает от поверхности пластины, нижняя — гидрофильным

Микс гидрофильности и гидрофобности. Но в природе есть и животные, которые сочетают в себе сразу несколько свойств. Один из таких примеров ―намибийский жук. Его панцирь покрыт гидрофобными и гидрофильными полосками. По утрам, когда жук забирается на высокую дюну, поднимает брюшко вверх, а голову опускает вниз, конденсат от тумана собирается на гидрофильных полосках на спинке и спускается вниз к голове по гидрофобным полоскам.

Инженер Института лазерных технологий и аспирантка первого курса Надежда Щедрина воспользовалась этим примером из природы и воспроизвела аналогичные свойства на металле. На поверхности образца с помощью лазерного излучения создается градиент смачивания, который представляет из себя последовательно расположенные обработанные участки — от гидрофобного к гидрофильному. Когда каплю воды помещают на более гидрофобный участок, она перетекает в сторону более гидрофильного. Такие материалы со смешанными свойствами можно использовать, чтобы решать разные задачи — отводить конденсат и собирать таким образом воду и создавать медицинские микрофлюидные системы. Например, если сделать несколько разветвленных полосок из участков с разными свойствами, при передвижении капля крови разделится надвое и потечет по разным желобам, в конце которых будут разные реагенты. В зависимости от того, в какой цвет окрасятся две капли, врач сможет сделать вывод о состоянии здоровья пациента.

Защита от биообрастания. Гидрофобные свойства лотоса и розы вдохновили ученых Института лазерных технологий и на создание специальных поверхностей для кораблей, которые помогут уменьшить обрастание биопленкой и микроорганизмами. В результате исследователи разработали гидрофобную микроструктуру, у которой размер лунок меньше среднего размера микроорганизмов. Эксперименты показали, что в стоячей воде Финского залива биообрастание не происходит, так как микроорганизмы не помещаются в лунки и не могут зацепиться за поверхность. В отличие от традиционных методов защиты от обрастания (тех же красок или смол), такой способ с использованием специальных поверхностей, модифицированных с помощью лазерного воздействия, оказался более экономичным и экологичным.

Биосовместимость и антибактериальность. А если перед учеными стоит другая задача — помочь микроорганизмам закрепиться на поверхности материала и ускорить процесс регенерации тканей? Чтобы ее решить, сотрудники и студенты Института лазерных технологий повторили в одной из функциональных зон дентальных имплантов структуру и форму остеона — структурной единицы компактной костной ткани человека. Благодаря этому решению клетки костной ткани (остеоциты) эффективнее размножаются на поверхности и надежнее закреляются на ней за счет созданного биомиметического рельефа. А чтобы уменьшить распространение бактерий в пришеечной зоне имплантата на границе компактной кости и десны, исследователи с помощью лазерного воздействия создают другой тип покрытия — биосовместимые оксиды титана. При активации ультрафиолетовым излучением они приобретают антибактериальные свойства. В будущем ученые планируют подробнее исследовать, как параметры ультрафиолетового излучения влияют на антибактериальные свойства.

«Чтобы бороться с биообрастанием, мы хотим попробовать сымитировать чешую акулы. Научные исследования говорят, что поверхность тела этой рыбы снижает биообрастание и трение, поэтому, если мы перенесем эти свойства на корпус корабля, сможем бороться с двумя проблемами одновременно. В будущем будет интересно создавать многофункциональные материалы, которые сочетают в себе несколько свойств — например, биосовместимость и антибактериальность или устойчивость к трению и биообрастанию», — подчеркивает Надежда Щедрина.

Оптические иллюзии на поверхности. С помощью лазера можно создавать материалы, которые не только будут отталкивать или притягивать жидкости, но и менять цвет под разным углом. Этот эффект ученые позаимствовали у бабочки Морфо. Дело в том, что структура ее крыльев похожа на ель, ветви которой становятся более широкими к основанию. «Ствол» ели — это тонкая пленка, которая создает интерференционный эффект и дает бабочке преимущественно голубой цвет. А «ветви» ели служат дифракционными решетками. Они заставляют голубой цвет переливаться другими цветами радуги, создавать объем изображения, а также проявлять и скрывать часть изображения, создавая эффект движения.

В жизни похожий эффект встречается, когда вы надуваете мыльные пузыри или разливаете на асфальт керосин. А с его помощью исследователи Института лазерных технологий могут создавать защитные голограммы на поверхности различных материалов. Эта технология помогает защитить банкноты и товары от подделок.

Также крылья бабочек покрыты наночешуйками, которые придают им окраску. Ученые переняли эту идею и с помощью осаждения частиц драгоценных металлов из плазменного факела сформировали слой из наночастиц на поверхности металлов. Он может изменять цвет за счет плазмонного резонанса. Но, как и чешуйки бабочки, такой слой легко стирается после прикосновения. Поэтому сейчас студенты Института лазерных технологий разрабатывают покрытие, способное защитить разноцветное напыление.