Por anos, os cientistas foram inspirados pela natureza para inovar soluções para problemas complicados, até mesmo derramamentos de óleo - desastres provocados pelo homem com devastadoras consequências ambientais e econômicas. Um novo estudo da USC usa uma sugestão da estrutura da folha para fabricar material que pode separar óleo e água, o que poderia levar a métodos de limpeza de derramamento de óleo mais seguros e eficientes.

Além disso, o material é capaz de "manipulação de microgotículas, "ou a transferência de volumes em miniatura de líquido. A microfluídica à base de gotículas é uma ferramenta usada em várias aplicações, como culturas de células, síntese química e sequenciamento de DNA.

Usando a impressão 3D, O professor associado Yong Chen e sua equipe de pesquisa na Escola Daniel J. Epstein de Engenharia Industrial e de Sistemas da Escola de Engenharia USC Viterbi imitaram com sucesso um fenômeno biológico em folhas de plantas chamado "efeito Salvinia". Seu estudo se concentra em uma samambaia flutuante nativa da América do Sul chamada Salvinia molesta. As folhas únicas são super-hidrofóbicas, significando "temente à água" e retém uma bolsa de ar circundante quando submerso em água devido à presença de fios de cabelo resistentes à água.

"Acho que a razão da superfície da planta ser super-hidrofóbica é porque ela vive na água e requer ar para sobreviver, "Yang Yang, um pesquisador de pós-doutorado na equipe de Chen, disse. “Se não fosse pela evolução a longo prazo desta planta, a planta poderia ser submersa na água e morrer. "

Estrutura repelente de água

Em um nível microscópico, os cabelos das folhas se alinham em uma estrutura semelhante a um batedor de ovos, ou batedor de cozinha. Chen explica que a superfície da folha de Salvinia é composta por essa estrutura chamada "batedeira de ovos", que é super-hidrofóbica.

Usando um método chamado impressão 3D de acumulação de superfície imersa (impressão ISA-3D), a equipe de pesquisa criou com sucesso a microestrutura do batedor de ovos em amostras feitas de plástico e nanotubos de carbono. Chen explica que o método permitiu à equipe demonstrar a fabricação de um material com propriedades super-hidrofóbicas e olefílicas (de absorção de óleo) que, quando combinados, geram forças capilares capazes de separação altamente eficiente de óleo e água.

"Tentamos criar uma textura de superfície funcional que fosse capaz de separar o óleo da água, "Disse Chen." Basicamente, modificamos a superfície dos materiais usando uma abordagem de impressão 3-D que nos ajudou a alcançar algumas propriedades de superfície interessantes. "

A equipe imprimiu um protótipo em 3D, citando uma demanda crescente por materiais que possam separar misturas de óleo e água de forma eficiente em grandes massas de água. Eventualmente, eles esperam que a tecnologia possa ser aplicada para fabricar materiais em grande escala para acomodar grandes vazamentos de óleo no oceano. Os métodos atuais requerem uma energia tremenda na forma de um campo elétrico ou pressão aplicada mecanicamente.

Aplicação de microfluídica

O "efeito Salvinia" também tem potencial para a tecnologia de manuseio de líquidos que executa a "manipulação de microgotículas" - um avanço em que a adesão do líquido a um braço robótico pode ser ajustada de acordo e resultar em transferência sem perda para quantidades muito pequenas de líquido. A técnica pode ser aplicada de inúmeras maneiras, alguns dos quais incluem microrreatores baseados em gotículas (dispositivos usados ​​em síntese química), síntese de nanopartículas, engenharia de tecidos, descoberta de drogas e monitoramento de distribuição de drogas.

Xiangjia Li, um estudante de doutorado da equipe de Chen e co-autor do estudo, diz que um exemplo de manipulação de microgotículas de alto desempenho pode levar a análises de sangue mais eficientes para os pacientes. Uma pinça robótica pode mover-se para diferentes estações e dispensar microgotículas de sangue que são então misturadas uniformemente com diferentes produtos químicos para vários testes. Além disso, os testes podem ser projetados para controlar a proporção de produto químico para gota e resultar em uma conservação significativa de materiais de origem e reagentes químicos.

"Você pode ter um braço robótico com uma pinça feita para imitar o 'efeito Salvinia, '", Disse Li." Não importa de que maneira você mova o braço, a força de preensão é tão grande que uma gota permanecerá presa. "

Liderado por Chen, a equipe de pesquisa também incluiu Yang, Li, Professor Qifa Zhou, do Departamento de Engenharia Biomédica, e os alunos de pós-graduação Xuan Zheng e Zeyu Chen. O estudo intitulado "Estrutura super-hidrofóbica biomimética impressa em 3D para manipulação de microgotículas e separação de óleo / água" foi publicado no Vol. 30, Edição de março de 2018 de Materiais avançados .