„Pouze malý počet mutací, které se objeví v průběhu evolučního procesu, vede k úspěchu,“ řekl Akhlesh Lakhtakia, profesor strojírenství a mechaniky. „Ale evoluce na to měla miliardy let. A tak se vytvořilo a je k dispozici obrovské množství biologických povrchových struktur s úžasnými vlastnostmi.“
Jak „nalakovat“ motýlí křídla
Lakhtakia a jeho kolegové, Carlo G. Pantano, profesor vědy o materiálech a strojírenství a ředitel Materials Research Institute na Penn State, a Raul J. Martín-Palma, hostující profesor z oddělení aplikované fyziky na Universidad Autonomia de Madrid, použili techniku, která by se dala přeložit jako stejnoměrné odpařování vrstvičky během otáčení (conformal evaporated film by rotation – CEFR) k výrobě povrchu, který napodobuje mikro- a nanostrukturu biologických povrchů v tenké vrstvě skla. Výsledky jejich práce se objevily v posledním vydání Applied Physics Letters and Nanotechnology.
Při technice CEFR výzkumníci ve speciální vakuové komoře odpařovali materiál, který následně vytvářel povlak přesně kopírující strukturu povrchu vloženého biologického vzorku. Předměty určené k potažení jsou upevněny do držáku a jsou otáčeny každé dvě sekundy. Výzkumníci pokryli povrch motýlích křídel a mouchy, a vytvořili tak kopie těchto biologických vzorů, přičemž se jim podařilo zachovat stejné vlastnosti povrchu. Výzkumníci používají sklo s obsahem mědi a s příměsí různých kombinací germánia, antimonu a selenu.
„Při té správné teplotě, kterou je pokojová teplota, správném tlaku a rychlosti otáčení, zabere proces „lakování“ asi 10 minut a uloží se pětisetnanometrová vrstva speciálního skla,“ řekl Lakhtakia.
Přírodu je možno napodobit technickými prostředky
Některé biostruktury, jako jsou například oči můry, je technicky možné vytvořit, ale je to mechanicky velmi přesná, náročná a nákladná práce. Takto konstruované čočky, které zachytí téměř veškeré dostupné světlo, by zcela jistě našly široké využití v optoelektronice a fotovoltaických aplikacích. Ale jsou i biostruktury, které se vůbec nehodí pro umělé vytváření mechanickými prostředky.
„V tom případě potřebujeme udělat kopii vlastní struktury,“ řekl Lakhtakia. „Některý hmyz má duhově zbarvené krovky, které nemění barvy, jako to dělá mnoho jiných. Nikdo zatím nevyrobil takový typ materiálu uměle, ale vytvořením vzoru podle skutečného hmyzu bychom možná dokázali zopakovat jemnou strukturu povrchu.“
Mnoho věcí v přírodě není barveno pigmenty, ale barva se objevuje jen díky struktuře povrchu. Způsob, jakým na sebe působí světlo a povrch, vytváří barvu. Povrchové vlastnosti zahrnují nejen vlastnosti viditelného světla, ale také infračervené, teplotní, kohezní a další vlastnosti.
Když mechanická výroba nestačí, musíme kopírovat
Je to práce, při které Martín-Palma, Pantano a Lakhtakia vytvářejí kopie struktury povrchu vytvářením jeho přesného otisku. Kopie vzoru pak může být použita k vytvoření formy v pevnějším a méně poškoditelném materiálu a k následnému vytvoření mnoha kopií (i když motýlí křídla to asi nebudou). Formy mohou být kombinovány a množeny k vytvoření i značně rozsáhlých povrchů požadovaných vlastností.
Výzkumníci se na počátku zaměřili na povrchy s optickými vlastnostmi, protože je lze snadno vidět a identifikovat. Strukturní černá některých motýlů vyzývá také k prozkoumání teplotních vlastností. Vytvořením povrchu, který má mikro- nebo nanorozměrové vzory na solárních článcích, výměnících tepla, reflektorech a čočkách, může pomoci vytvořit zařízení, které bude pracovat mnohem účinněji.
Pantano navrhl využití měďnatého skla kvůli jeho speciálním infračerveným vlastnostem, ale výzkumníci vyzkoušeli k reprodukci dalších povrchů a jejich vlastností také další druhy skla i jiných materiálů, např. organické polymery.
Biomimetika má budoucnost
„Celý svět inspirace techniky biologií stojí před námi,“ řekl Martín-Palma. Rozvíjí se celý vědní obor nazývající se biomimetika, který se zabývá využíváním „patentů přírody“ v technických oborech. „Motýlí křídla se objevují ve velké rozmanitosti povrchových struktur. Konečně můžeme být schopni vzít tyto biologické struktury a upravit je tak, abychom vytvořili další vlastnosti, které zatím ještě neexistují ani v přírodě.“
I když výzkumníci stále experimentují s motýlími křídly, rádi by použili metodu CEFR na lotosové lístky, protože ty jsou dokonale nesmáčivé. Povrchy, které odpuzují vodu, by mohly být velmi užitečné. Psal o tom i Osel v článku: „Hrbolaté sklo se bude čistit samo“ . Dovedete si představit třeba automobilová skla, na kterých se neudrží voda? Také plánují, že se podívají i na další rostlinné materiály, které by mohly být potenciálně využitelné v solárních článcích. Lakhtakia a Martín-Palma plánují na příští rok uspořádat malou konferenci věnovanou biomimetice a bioinspiraci. Vědci určitě budou mít o čem diskutovat a my ostatní se můžeme těšit na prakticky použitelné aplikace.ˇ
Zdroj: Penn State