Новая стратегия микропроизводства многофункциональной 3D-искусственной кожи акулы

В природе акулы плавают на больших скоростях в глубоком океане из-за своей высокой способности уменьшать сопротивление. Потоки воды вокруг кожи акулы прерываются перекрывающимися микроскопическими структурами, называемыми зубцами. Помимо этой шероховатости поверхности, вода скользит по границе твердого тела и жидкости с многочисленными бороздкообразными микрошариками на отдельных микроячейках.

Кроме того, акулья кожа обладает высокой устойчивостью к проникновению благодаря своей четырехслойной структуре от эмали до дермы. Существуют механические градации с твердыми и мягкими слоями акульей кожи снаружи и внутри.

Уникальная и функциональная кожа акулы, встречающаяся в природе, стала мотивацией для этого исследования, опубликованного в журнале Передовые материалы, первой изготовившей трехмерные (3D) переплетенные микрочастицы с острыми микрочастицами. 3D-искусственная кожа акулы обеспечивает множество функций, имитируя морфологические и физические характеристики натуральной кожи акулы.

Многие предыдущие исследования были проведены с целью разработки искусственной кожи акулы, которая имитирует натуральную кожу акулы и обладает функциональными преимуществами. Однако было сложно сформировать трехмерную вложенную морфологию, сохраняя при этом форму микропланшетов на микрочастицах. Нежелательная термическая деформация остается проблемой для микрозубов на основе полимеров, которые периодически располагаются с узким промежутком.

Чтобы решить эту проблему, Вэй и его коллеги изготовили мелкие частицы с ребристой текстурой, используя композит магнитных частиц и гибких полимеров. Затем 3D-микроячейки были вынуждены изгибаться до тех пор, пока они не перекрывали друг друга под действием внешнего магнитного поля.

Хотя эта концепция интересна, существует необходимость устранить эти магнитные помехи, чтобы активировать кожу акулы при удалении магнитного поля. «Недавно мы разработали стратегию химической стабилизации формы для изготовления трехмерных взаимосвязанных акул», — сказал Чон Джэ-вэй, профессор кафедры органической и наноинженерии Университета Ханьян.

«Мелкие частицы должны двигаться в противоположном направлении, чтобы покрыть тонкий слой жидкой полимерной смолы на коже акулы. После изменения хода в прямом направлении обрабатывается тонкий полимерный слой, что завершает микроизготовление 3D-искусственной акулы. кожа подвергается воздействию статических магнитных помех», — сказал Чон Ын. Пак, первый автор опубликованного исследования:

«Уникальным моментом этой работы является способность 3D-искусственной кожи акулы выполнять множество функций, в то время как другие исследования смогли задокументировать только одну или две особенности», — сказал соавтор Вэя Сын Джу Ли из Университета Ульсана.

Исследовательская группа впервые продемонстрировала снижение сопротивления — функцию, характерную для натуральной кожи акулы. Синтетическая 3D-акулья кожа с гидрофобностью снижает сопротивление, когда вода течет в направлении вперед от микрошариков.

«В гидрофобной коже акулы пузырьки воздуха небольшого размера задерживаются между перекрывающимися микроячейками, заставляя слой воды скользить по пузырькам воздуха», — добавил соавтор Вэя Рокюн Квак из Университета Ханьян.

В дополнение к этой функции снижения сопротивления, 3D-искусственная кожа акулы демонстрирует низкое трение, когда образец царапается в прямом направлении, и высокую механическую прочность со структурным восстановлением благодаря переплетенной структуре микроорганелл.

«Интересно, что эти функции можно улучшить, покрыв механически мягкую акулью кожу на полимерной основе нанотонким слоем механически хрупкого материала. Эта концепция основана на жестко-мягкой слоистой структуре натуральной акульей кожи», — добавил Вэй.

«Обычно механически мягкий слой имеет высокое поверхностное трение при контакте с окружающими препятствиями. Однако в этой работе коэффициент трения снижается при покрытии акульей кожи тонким керамическим слоем, поскольку в этой трехслойной акульей коже сосуществуют жесткие и эластичные свойства», — Уэй объяснил. . Соавтор, Санха Ким из Корейского передового института науки и технологий.

Затем команда Вэя покрыла трехслойную кожу акулы тонким металлом. В ходе испытаний на вдавливание четырехслойная акулья кожа продемонстрировала повышенную прочность и возможность восстановления по сравнению с полимерной акульей кожей без покрытия. В частности, что касается функции структурного восстановления, Ким добавил: «Восстанавливаемая работа может храниться в изогнутых микроячейках, в то время как тонкие слои механически хрупких материалов могут повысить энергию упругого напряжения трехмерной искусственной кожи акулы».

Кроме того, для микротекстурированных электронных устройств, когда акулья кожа на полимерной основе покрыта электропроводящим MXene, она имеет низкое электрическое сопротивление 5,3 Ом.

«Акулья кожа, покрытая миксеном, позволяет осуществлять джоульный нагрев с высокой температурой даже при подаче низкого напряжения (например, 230 °С при 2,75 В). Кроме того, из-за гидрофильности миксена гидратационные свойства акульей кожи также изменяются с гидрофобных. «Гидрофильный», — сказал соавтор Вэя Тэ Хе Хан из Университета Ханьян.

«Это исследование является первым, в котором сообщается о многочисленных функциях, которые может быть продемонстрирована 3D-искусственной кожей акулы, и имеет множество потенциальных применений в различных областях», — сказал Ли. Например, если эта многофункциональная технология искусственной кожи акулы будет использоваться в судоходной отрасли, экономическая эффективность может быть достигнута за счет снижения расхода топлива и увеличения срока службы судна.

«Ожидается, что в будущем корабли, оснащенные искусственной 3D-кожей акулы, будут плавать быстро, с меньшим сопротивлением, меньшим трением при контакте с окружающими препятствиями и меньшими повреждениями от внешних воздействий в океане», — добавил Вэй.