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Das neue Material, das die Federn einer Drossel imitiert
ETH-Forschende haben eine neue Komponente entwickelt, die von der komplexen Struktur des Gefieders der amerikanischen Ostdrossel inspiriert ist
ETH-Wissenschaftler haben ein neues Material entwickelt, das von den Federn der Ostdrossel inspiriert ist (Foto: Envato)
Dieorientalisches Blau Es ist ein besonderer Vogel: Der kleine Singvogel versteckt sich unter seinen sehr seltenen Vögeln blaue Federn, das Geheimnis der Gestaltung von Materialien mit einzigartigen Eigenschaften. Tatsächlich ist die Farbe des Gefieders nicht auf ein Pigment zurückzuführen, sondern auf die besondere Struktur seiner Federn.
Forschern der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich gelang es, dies zu reproduzieren und eine zu erhalten Neues Material das überraschende Qualitäten (und Vorteile) gezeigt hat.
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Unter dem Mikroskop beobachtet, die Gefieder des Ostblauen (Sialia Sialis) scheinen von a gekreuzt zu sein Kanalnetzwerk mit einem Durchmesser von einigen hundert Nanometern, also Milliardstel Metern.
Die seltene blaue Farbe des nordamerikanischen Landsingvogels hat die Aufmerksamkeit von Forschern am Laboratory of Soft and Living Materials of erregt Eidgenössisches Polytechnikum Zürichunter der Leitung des ehemaligen ETH-Professors Eric Dufresne.
Wissenschaftlern ist es gelungen, das Komplexe und Faszinierende nachzubilden Struktur der Federn des östlichen Blaus: Sie haben ein neues Material entwickelt, das präsentiert das gleiche strukturelle Design wie seine Federn, und das zeigte a überraschendes Potenzial in verschiedenen praktischen Anwendungen.
Um das Gefieder der kleinen Sialia Sialis zu rekonstruieren, gingen die Forscher von einem solchen aus transparenter Silikonkautschuk welches die Eigenschaft hat, gedehnt und verformt werden zu können.
Dann legten sie den Reifen hinein ölige Lösung und ließ es mehrere Tage im Ofen bei 60°C „quellen“. Sobald die Mischung abgekühlt war, extrahierten sie den Kautschuk aus der Öllösung.
La Nanostruktur Unter dem Mikroskop beobachtete Gummipartikel zeigten netzförmige Strukturen, die denen ähnelten, die den Federn der Ostdrossel ihre charakteristische blaue Farbe verleihen.
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Ein Kaugummi in einer öligen Lösung: genau wie Öl und Essig
Der Hauptunterschied zwischen dem neuen Material und den Sialia-Sialis-Federn liegt in der Dicke der Kanäle 800 Nanometer misst der Kunststoff, während die Federn des Ostblauen gerade einmal dick sind 200-Nanometer.
Das Prinzip hinter der Entstehung des Gitters ist das Phasentrennung, die Trennung zwischen den Bestandteilen einer Mischung, die beispielsweise beim Mischen auftritt Essig und Öl um den Salat anzurichten.
Egal wie sehr Sie es versuchen, die beiden Flüssigkeiten neigen dazu, sich zu trennen, sobald Sie aufhören, die Emulsion kräftig zu schütteln: wechseln TemperaturEs ist jedoch möglich, die beiden Komponenten miteinander zu verbinden und wieder zu trennen.
Genau nach diesem Verfahren vermischten die ETH-Forscher den Silikonkautschuk und die ölige Lösung: Das Ergebnis dieses sehr heiklen Prozesses ist, dass im Inneren des Gummis ein Ganzes entsteht mikroskopisches Netzwerk von Kanälen, den Federn der Ostdrossel sehr ähnlich.
Wie er erklärte Carla Fernandez Rico, der Hauptautor der Studie veröffentlicht in „Nature Materials“, Experimente haben gezeigt, dass es möglich ist „Kontrollieren und wählen Sie die Bedingungen so aus, dass während der Phasentrennung Kanäle gebildet werden".
"Es ist uns gelungen, das Verfahren zu stoppen, bevor die beiden Phasen wieder vollständig zusammengeführt wurden“, erklärte der Forscher.
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Neue Verarbeitungsmethode mit überraschendem Potenzial
Das Neue daran Verarbeitungsmethode von Materialien stößt in der Physik-Community auf großes Interesse. „Wir haben ein einfaches System, das nur aus zwei Zutaten besteht, aber die letztendliche Struktur ist sehr komplex und wird von den Eigenschaften der Zutaten bestimmt„, erklärt Fernández Rico, „Wir wurden von mehreren Gruppen von Theoretikern kontaktiert, die den Einsatz physikalischer Modelle vorschlagen, um die Schlüsselprinzipien dieses neuen Prozesses zu verstehen und sein Ergebnis vorherzusagen".
Das Potenzial dieses speziellen Gummis, der die Struktur der Federn eines kleinen blauen Vogels nachahmen soll, beschränkt sich nicht nur darauf: Das neue Material hat enormes Potenzial in Bezug auf technische Anwendungen und nachhaltige Lösungen.
Ein mögliches Anwendungsgebiet ist das von Batterie: Einer der Hauptgründe dafür, dass Batterien mit der Zeit ihre Ladekapazität verlieren, ist, dass die Ionen (die sich durch einen flüssigen Elektrolyten zwischen den Elektroden bewegen) schließlich mit diesem reagieren und einen physischen Kontakt zwischen den Elektroden verursachen.
Eine mögliche Lösung für dieses Problem könnte darin liegen Ersetzen Sie den flüssigen Elektrolyten mit Festelektrolyte die dank einer Kapillare einen guten Ionentransport gewährleisten Netzwerkstruktur miteinander verbundener Kanäle. Genau das haben die ETH-Forscher gezeigt.
Eine weitere mögliche Anwendung für dieses von Vogelfedern inspirierte Material sind Maulwürfe Wasserfilter: In diesem Fall ist das besonders vorteilhaft Verhältnis Oberfläche/Volumen, was in Kanalstrukturen enorm ist.
Die Struktur des neuen Materials, erklären die Wissenschaftler, ermöglicht es, Bakterien und Schadstoffe effektiv aus dem Wasser zu entfernen und es gleichzeitig schnell zu transportieren.
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Zukünftige Forschungsentwicklungen: Versuche mit natürlichen Polymeren
Einer der großen Vorteile der neuen Methode, die in den Laboren der ETH Zürich entwickelt wurde, besteht darin, dass der Prozess vollständig ist skalierbar"Im Prinzip können Sie ein Stück gummiartigen Kunststoff in beliebiger Größe verwenden", Erklärt Fernandez Rico, auch wenn dann“Außerdem wären ausreichend große Behälter und Öfen erforderlich".
Das neue Material ist noch lange nicht marktreif: „Während die Gummimischung günstig und leicht erhältlich ist, ist die Ölphase recht teuer. Es wären ein paar günstigere Alternativen nötig“, erklärt der Forscher.
Eine Lösung könnte von kommen nachhaltige Forschungsentwicklung"Viele natürliche Polymere, wie z Zellulose oder Chitinhaben eine ähnliche Struktur wie der in unserer Arbeit verwendete Gummi“, sagt Fernández Rico, und sie stellen im Vergleich zu sicherlich eine nachhaltigere Alternative dar Silikonkautschuke aus Erdöl gewonnen.
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Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich haben ein neues Material entwickelt, das von der Struktur seltener blauer Federn inspiriert ist (Foto: Envato)
