由于有一层被称为板层的保护层而生活在水下，研究人员受到aquatica Argyroneta蜘蛛的启发，开发出了一种超疏水表面，其稳定的板层可以在水下持续数月。这种表面可以应用于生物医学，如减少手术感染，以及工业，如防止管道腐蚀。
一种蜘蛛一生都生活在水下，尽管它的肺只能呼吸大气中的氧气。它是如何做到的?这种蜘蛛被称为Argyroneta aquatica，它有数百万根粗糙的防水毛，可以将空气困在身体周围，形成一个氧气库，并在蜘蛛的肺和水之间起到屏障的作用。
利用平板材料科学
这层薄薄的空气被称为板层，几十年来，材料科学家一直试图利用它的保护作用。这样做可能会导致水下超疏水表面能够防止腐蚀，细菌生长，海洋生物的粘附，化学污染以及液体对表面的其他有害影响。但事实证明，石膏在水下非常不稳定，在实验室中只能保持表面干燥几个小时。
现在，由哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)、哈佛大学Wyss生物启发工程研究所、德国Friedrich-Alexander-Universit?t erlangen - n
研究发现与挑战
“生物灵感材料的研究是一个非常令人兴奋的领域，它继续将人造材料领域带入自然界进化的优雅解决方案，这使我们能够引入前所未有的新材料，”SEAS材料科学教授、化学与化学生物学教授、论文的合著者乔安娜·艾森伯格(Joanna aizenberg)说。“这项研究举例说明了揭示这些原理如何能够开发出在水下保持超疏水性的表面。”
艾曾伯格也是威斯研究所的副教员。
这项研究发表在《自然材料》杂志上。
研究人员早在20年前就知道，稳定的水下板在理论上是可能的，但直到现在，还没有能够在实验中证明这一点。
花纹最大的问题之一是它们需要粗糙的表面来形成，就像水仙的毛发一样。但这种粗糙度使表面机械不稳定，容易受到温度、压力或微小缺陷的任何微小扰动的影响。
一种由一种常用且廉价的钛合金制成的亲氧表面，在血液培养皿中浸泡数百次后，其表面会保持干燥。图片来源:Alexander B. Tesler/Friedrich-Alexander-Universit?t erlangen - n
创新的技术和发现
目前评估人工制造的超疏水表面的技术只考虑了两个参数，这并不能提供关于水下空气板稳定性的足够信息。来自阿尔托大学的Aizenberg、Jaakko V. I. Timonen和Robin H. a . Ras，以及来自FAU的Alexander B. Tesler和Wolfgang H. Goldmann及其团队确定了一组更大的参数，包括表面粗糙度、表面分子的疏水性、板层覆盖范围、接触角等信息，这些信息与热力学理论相结合，使他们能够确定空气板层是否稳定。
利用这种新方法和一种简单的制造技术，研究小组用一种常用的廉价钛合金设计了一种所谓的亲氧表面，这种表面具有持久的板层，比以前的实验保持表面干燥的时间长数千小时，甚至比活体物种的板层还要长。
特斯勒说:“我们使用了一种20年前理论家提出的表征方法来证明我们的表面是稳定的，这意味着我们不仅制造了一种新型的非常排斥、非常耐用的超疏水表面，而且我们还可以用不同的材料再次做到这一点。”特斯勒是SEAS和Wyss研究所的前博士后研究员，也是该论文的第一作者。
为了证明板板的稳定性，研究人员对其表面进行了环形试验——弯曲、扭曲、用热水和冷水对其进行爆破，并用沙子和钢铁对其进行研磨，以阻止表面保留的亲氧性。它在水中浸泡了208天，在血液培养皿中浸泡了数百次。它严重减少了大肠杆菌和藤壶在其表面的生长，并完全停止了贻贝的粘附。
应用及展望
SEAS的研究生、该论文的合著者Stefan Kolle说:“该系统的稳定性、简单性和可扩展性使其在现实世界的应用中具有价值。”“通过这里展示的表征方法，我们展示了一个简单的工具包，可以优化超疏水表面以达到稳定性，从而极大地改变了应用空间。”
该论文的资深作者、前哈佛大学研究员戈德曼说，该应用领域包括生物医学应用，可用于减少手术后的感染，或作为支架等可生物降解植入物。它还包括水下应用，可以防止管道和传感器的腐蚀。在未来，它甚至可以与十多年前由Aizenberg和她的团队开发的超光滑涂层slip(注入液体的光滑多孔表面)结合使用，进一步保护表面免受污染。
参考文献:Alexander B. Tesler, Stefan Kolle, Lucia H. Prado, Ingo thieveessen, David B?hringer, Matilda Backholm, Bhuvaneshwari Karunakaran, Heikki A. Nurmi, Mika Latikka, Lena Fischer, Shane Stafslien, Zoran M. Cenev, Jaakko V. I. Timonen, Mark Bruns, Anca Mazare, Ulrich Lohbauer, Sannakaisa Virtanen, Ben Fabry, Patrik Schmuki, Robin H. A. Ras, Joanna Aizenberg和Wolfgang H. Goldmann, 2024年9月18日，Nature Materials。DOI: 10.1038 / s41563 - 023 - 01670 - 6
本文由德国Friedrich-Alexander-Universit?t erlangen - n