Inspiration fick gruppen av lotusblommans blad: forskarna utnyttjade ett unikt fenomen där ett tunt lager luft fångas mellan vattnet och den vattenavstötande ytan bestående av två lager.
För att ytan ska ha samma slags extremt vattenavstötande egenskaper som lotusblomman måste den vara superhydrofobisk: den mikroskopiska ytstrukturen måste hindra ytan från att bli helt våt genom att ett tunt lager luft stannar mellan vattnet och ytan. Då ytan dränks helt i vatten täcks den helt och hållet av ett mycket tunt lager luft.
Akademiforskaren Robin Ras vid Aalto-universitetet har lett en gemensam forskningsgrupp med forskare från Aalto-universitetets institution för teknisk fysik, universitetet i Cambridge och Nokia Research Center Cambridge. Forskningsgruppen har tillverkat ytor bestående av strukturer i två olika nivåer: forskarna odlade små nanofibrer på ytan av mikrostaplar motsvarande tio mikrometer.
På ytor bestående av två lager kan luftskiktet vara på två olika nivåer vilket motsvarar ytstrukturens två skalor. Forskarna kom fram till att luftskiktets tillstånd kan växla fram och tillbaka såsom en strömbrytare genom att antingen ett över- eller undertryck skapas i vattnet.
– För att tillståndet ska kunna växla behövs bara minimalt med energi, vilket betyder att ett bistabilt system uppstår i ytan, vilket är en väsentlig egenskap i enheter som tar tillvara information, berättar Robin Ras.
Det som gör systemet extremt intressant är ändå den starka optiska kontrast som finns mellan tillstånden, vilket beror på skillnaderna i ojämnheterna mellan vattnets och luftens gränsytor.
– På grund av de optiska egenskaperna är ytan också en reflekterande skärm.
Transtitionsmekanismerna ändrar bara på luftskiktets form – den fasta ytan ändras inte i sig. Gruppen upptäckte detta genom att rita figurer på ytan som dränkts i vatten och genom att utnyttja kontrasten mellan luftskiktens tillstånd. När ytan tas bort ur vattnet är den helt torr och av figurerna finns inga spår.
Tekniken som manipulerar luftskiktet har utvecklats av doktoranden Tuukka Verho vid institutionen för teknisk fysik vid Aalto-universitetet. Han pekade på att den lokala växlingen i luftskiktets tillstånd kan genomföras mycket noggrant, så att säga pixel för pixel.
– Vi har tagit det första steget till hur vattenavstötande ytor kan utnyttjas för att samla information eller t.o.m. behandla information, berättar akademiprofessorn Olli Ikkala vid institutionen för teknisk fysisk. Hittills har ytor som imiterar lotusens blad främst utvecklats för självrengörande tillämpningar, tillämpningar för förhindrande av frysning eller reducering strömningsmotstånd. Vår forskning är ett banbrytande exempel på hur naturen kan lära materialvetenskapsmän hur funktionella material framställs.
Artikeln Reversible switching between superhydrophobic states on a hierarchically structured surface har publicerats i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America PNAS. Artikeln är tillgänglig på nätet (pnas.org)
Mer information:
Robin Ras
robin.ras@aalto.fi
puh. 09 470 23169
Högskolan för teknikvetenskaper
Institutionen för teknisk fysik