ما هو الشائع بين بدلة ركوب الدراجات وجلد سمك القرش ، وبين بتلة الورد والحقيبة البلاستيكية؟ للوهلة الأولى ، يبدو أنه لا يوجد قواسم مشتركة ، ولكن يمكن دمج كل هذه الأشياء المتباينة من حيث خصائص أسطحها. العديد من الأشياء التي أنشأها الإنسان ، بطريقة أو بأخرى ، تكرر خصائص الأسطح الموجودة في الطبيعة. ومع ذلك ، فإن عملية تصنيع مثل هذا الكائن محدودة إلى حد كبير بخصائص المادة الكامنة وراءه. من الناحية الهيكلية ، تختلف المعادن والبوليمرات في كثير من النواحي عن المواد الحيوية ؛ لذلك ، من الصعب للغاية تقليد خصائصها. ومع ذلك ، قرر علماء من جامعة أيوا (الولايات المتحدة الأمريكية) استخدام البنية الدقيقة لبتلة الورد كمصدر إلهام لتحويل المعدن ، مما يغير خصائصه بشكل كبير. كيف تم تغيير المعدن بالضبط ،ماذا تم من أجل هذا وكيف ساعدت بتلات الزهرة النبيلة في ذلك؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة في تقرير العلماء. اذهب.
أساس البحث
في الطبيعة ، لا شيء يحدث مثل هذا. ينطبق نفس المبدأ على أنواع مختلفة من الأسطح التي يمكن أن نجدها في الطبيعة. خضع ممثلو النباتات والحيوانات لمئات الآلاف من السنين لجميع أنواع التغييرات اللازمة للتكيف مع ظروف الموائل.
Phyllocrania paradoxa ، Nautilus pompilius ، Cataglyphis Bombycina.
بفضل التطور ، اكتسب شخص ما القدرة على أن يصبح غير مرئي تقريبًا للأعداء (محاكاة السرعوف Phyllocrania paradoxa ، التي تبدو وكأنها ورقة جافة) ، حصل شخص ما على درع متين (قذيفة في الرخويات Nautilus pompilius ) ، وتعلم شخص ما البقاء على قيد الحياة حتى في أكثر الظروف سوءًا (انعكاسية عالية لجسم النمل Cataglyphis bombycinaالذين يعيشون في الصحراء الكبرى) ، إلخ.
كل من أمثلة التكيف المذكورة أعلاه هو نتيجة للسمات الهيكلية وخصائص السطح. من المنطقي أن يسعد العلماء بتطبيق مثل هذه الخصائص الفريدة في عالمنا ، لكن هذا صعب للغاية. تسمى عملية إعادة بناء خصائص المواد الحيوية بالمحاكاة الحيوية ، وغالبًا ما ترتبط بمعالجة مادة بطريقة كيميائية أو فيزيائية ، مما يسمح لها بتغيير هيكلها إلى حد ما. على سبيل المثال ، يتم استخدام النقش لإنشاء أسطح فائقة أو فائقة المقاومة للماء على المواد الصلبة ، الأمر الذي يتطلب كواشف عدوانية ومعدات باهظة الثمن ، ناهيك عن المتخصصين المدربين وذوي الخبرة.
في السنوات الأخيرة ، أصبحت عملية التبريد الفائق للجزيئات المعدنية شائعة جدًا. الجسيمات اللينة المتعددة التشتت ( القشرة الأساسية * ) من المعدن السائل فائق التبريد (ULMCS) المعلقة في مذيب تجعل من الممكن تحقيق تعبئة كثيفة وفرز ذاتي للجزيئات في قوام سطح متعدد النطاقات ، مثل بتلات الورد ( 1 أ - 1 ب ).
غلاف الجسيم الأساسي * - جسيم يختلف جوهره وقذفته في التكوين والتشكل والغرض الوظيفي.
الصورة رقم 1
بعد الترسيب وتبخر المذيبات ، تميل الجسيمات اللينة إلى تكوين هياكل تعبئة عشوائية قريبة (RCP) وتعلق عند نسبة التعبئة ∅ = 0.64. يتم تحديد عامل التعبئة من خلال النسبة ∅ = NV 0 / V ، حيث N هو عدد الجسيمات ؛ V 0 - حجم الجسيم ؛ V هو الحجم الإجمالي.
علاوة على ذلك ، نظرًا لوجود هياكل وقنوات متعددة النطاقات على سطح الوردة ( 1 أ ) ، فإن هذه الجسيمات ستخضع لعملية ترشيح ذاتية ، والتي يتم تسهيلها من خلال التجميع الذاتي للشعيرات الدموية. بعد التجفيف والوصول إلى حالة البندول ، ستقوم الجسيمات في النهاية بالتثبيت الذاتي وتعلق في شقوق نسيج السطح ( 1 ب ).
يحدث التشويش عندما يفي حجم التجويف بين الجسيمات وتركيز المعلق وحجم الجسيمات بالعلاقة التالية:
حيث R هو نصف قطر الشعيرات الدموية ؛ r هو نصف قطر الجسيم ؛ ن هو عدد الجسيمات.
تتنبأ هذه المعادلة بالحجم ( r ) أو عدد ( n ) من الجسيمات اللازمة للالتصاق بحجم معين للاكتئاب ( R ).
يضمن التشويش أيضًا أن جسيمات ULMCS المترسبة مستقرة ميكانيكيًا وبالتالي يمكن تلبيدها * في شبكات مطابقة لقالب السطح المطلوب ( 1c - 1d ).
التلبيد * هو عملية تكوين مواد مسامية وصلبة من جزيئات مساحيق صغيرة أو مغبرة عن طريق زيادة درجة الحرارة و / أو الضغط.ينتج عن تطبيق التلبيد الكيميائي البارد وربط ومعالجة جزيئات ULMCS المحاصرة بنية صلبة يمكن إزالتها من بتلات الورد (أو مادة أساسية ناعمة مماثلة) دون إتلافها. تتوافق هذه العملية أيضًا مع الأشكال التركيبية والناعمة والحساسة للحرارة * مثل PDMS (بوليديميثيل سيلوكسان / (C 2 H 6 OSi) n ) ( 1e ).
الدافع * هو سلسلة قصيرة من النيوكليوتيدات أو الأحماض الأمينية التي لا تتغير إلا قليلاً أثناء التطور.عندما يتم تطبيق هياكل المحاكاة الحيوية العكسية على المواد المرنة التي يتم تعبئة جزيئات ULCMS عليها وتلبيدها كيميائيًا ، يتم تحقيق نسخة طبق الأصل من النمط الطبيعي ( 1f - 1h ).
وبالتالي ، يمكن تصنيع الهياكل المعدنية الصلبة المحاكاة الحيوية بدون تسخين من خلال استخدام عمليات مستقلة مثل الختم الشعري ، وتعطيل الحركية (انخفاض حرارة الجسم) ، والتجميع الذاتي / الفرز الذاتي للجسيمات.
نتائج البحث
تم تصنيع الجسيمات المعدنية المتعددة التشتت ULMCS (51٪ In + 32.5٪ Bi + 16.5٪ Sn) باستخدام طريقة SLICE (فصل السوائل إلى جزيئات معقدة من سوائل القص إلى جسيمات معقدة ).
يمكن أن تنتج عملية SLICE جزيئات أقل من 10 نانومتر ، ولكن لتحسين الترشيح الذاتي وسهولة التوصيف ، قررت هذه الدراسة استخدام أحجام أكبر (ميكرومتر) وتشتت متعدد. يبلغ قطر الجزيئات المستخدمة في هذه الدراسة 2.71 ± 1.58 ميكرومتر ، وبالتالي ، كان عامل التعبئة المتوقع حوالي ∅ = 0.70.
هذه ULMCS الناعمة القابلة للتشوه ، كما هو متوقع ، تشكل هياكل أكثر كثافة من التعبئة المغلقة العشوائية التي لوحظت مع المجالات الصلبة (∅ = 0.64) من المحتمل أن يكون التكثيف ناتجًا عن التغيير في الشكل تحت تأثير الضغط الشعري وترتيب الأبعاد المستقل ، مما يزيد من التكثيف. ومع ذلك ، يمكن أن تتعطل هذه العمليات بسبب الضغوط الخارجية أثناء استقرار الجسيمات.
لاستكشاف تأثير عملية الترسيب على كثافة التعبئة ، أجرى العلماء عدة دورات بدرجات متفاوتة من إجهاد القص المطبق (F s ). تم تطبيق الجسيمات على قوالب بيولوجية (بتلات الورد) وإزالتها بشريط نحاسي ، مما أدى إلى تكوين بنية معدنية مقلدة حيوية ، وإن كان ذلك مع ارتياح عكسي.
الصورة رقم 2
بالصور 2 أ، 2D و 2G توضيح مبسط أساليب مختلفة لترسب في نطاق القيم المنخفضة من F (تطبيق بواسطة فرشاة) إلى ارتفاع F (الطرد المركزي) وبدون F (الاخرق). توفر طريقة الرش الحد الأدنى من F لأن الجزيئات تترسب بشكل عمودي على سطح البتلة. ينتج عن
التنظيف المباشر ( 2 أ ) قيم F منخفضة على تعليق الجسيمات أثناء الترسيب ، مما ينتج عنه أنماط سميكة (> 10 ميكرومتر) ، متعددة الطبقات (> 7 طبقات) ( 2 ب - 2 ج ). هذه الطريقة هي الأسهل في التنفيذ ، ولكنها ليست الأنسب لأنها تتطلب مشاركة بشرية مباشرة ، وهو ما يرغب العلماء في تجنبه.
الترسيب بالطرد المركزي عند 1000 دورة في الدقيقة (2 د ) لعملية أكثر قابلية للتحكم والتكرار ، حيث يمكن تثبيت معدل الترسيب ، وبالتالي قيمة F s . ومع ذلك ، تقطع هذه الطريقة الطبقة الخارجية من الجسيمات المترسبة ، مما ينتج عنه أغشية أرق قليلاً (<10 ميكرومتر ، ~ 4-5 طبقات ؛ 2e - 2f ) مقارنة بالأفلام المصقولة.
من المثير للدهشة أن الطرد المركزي يوفر ترشيحًا ذاتيًا أفضل قليلاً ، كما يتضح من الحجم غير المتصل على الطبقة العليا من الهيكل المرتفع (المميز باللون الأحمر عند 2c و 2f ).
لكن الرش ( 2g) يعطي أغشية أرق بكثير (حوالي 3 طبقات) مع عيوب كبيرة / تفتيت ( 2h - 2i ). قد يكون هذا بسبب مشاكل ضخ جزيئات معدنية كثيفة إلى حد ما من نظام الرش اليدوي ، والذي يميل إلى ترسيب جزيئات أقل وأقل. يمكن أن يساهم ترسب الجسيمات الأكبر في محلول الرش أيضًا في انخفاض التركيز وانتقائية الحجم ، وبالتالي تكوين أغشية أرق.
في حالة المواد الحبيبية ، يمكن أن يؤدي الترشيح الذاتي إلى تعبئة أفضل في ميزات السطح ، مما يؤدي إلى مزيد من التعبئة المطابقة بمقاييس أحجام مختلفة. يتجلى الترشيح الذاتي في توزيع حجم الجسيمات في الطبقة العلوية من الجسيمات الجوفية.
بمقارنة توزيع حجم الجسيمات للجسيمات المعدة مسبقًا مع تلك التي تترسب بعمق أكبر في شقوق بتلات الورد (أي تمثل الطبقة العلوية من الهيكل المعدني) ، لوحظ تحول كبير. في تعليق أولي polydisperse، لوحظ معامل التماثل إيجابي كبير، في حين أن الجزيئات المودعة، يتم تصفيتها جزيئات أكبر من ( 2J - 2M ).
أظهر تركيب Gaussian لتوزيع حجم الجسيمات للطبقة العلوية أنه عند استخدام الفرشاة ، ستكون الجسيمات الأكبر (~ 5 ميكرومتر) ، يليها الطرد المركزي (~ 4 ميكرون) والرشق (~ 3 ميكرومتر).
أظهر تحليل أعمق للطرق الثلاث لترسيب الجسيمات أن الطرد المركزي هو الأنسب ، على الرغم من عدم التماثل النسبي الصغير. في حالة الطرق الأخرى ، لوحظ عدد من المشاكل: انخفاض التعبئة الشعرية في حالة الرش ؛ تغليف جيد ، لكن قابلية التوسع ضعيفة في حالة استخدام فرشاة.
فيما يتعلق باختيار طريقة ترسيب الجسيمات على بتلة الورد (أي طريقة تكرار هياكلها الدقيقة مع جزيئات معدنية) ، كان من الضروري أيضًا تقييم درجة تطابق الهياكل الأصلية مع القالب. أظهرت المقارنة أن جميع العناصر التي تم الحصول عليها من الوردة الحمراء كانت ذات حجم متوسط بالترتيب التالي: الفرشاة> الطرد المركزي> الرش. ومع ذلك ، في جميع الحالات ، كانت أبعاد العناصر الهيكلية متشابهة تمامًا مع بعضها البعض (20 ميكرومتر) ، أي في هذا الجانب ، يمكن استخدام أي من الطرق.
Image №3
بعد ذلك ، بدأ العلماء في إجراء تقييم كامل لخصائص BIOMAP ( BIOmimetic MetAl Patterning ) ، أي نظام تقليد أحيائي للمعادن.
أثناء التجارب العملية ، تم استخدام نوعين من الورود وثيقة الصلة:
- ( 1) a1 = 21.68 ± 3.32 (3);
- Peace ( 2) a2 = 26.63 ± 4.00 (3b);
تم إجراء التطبيق عن طريق الطرد المركزي لنفس التعليق الأولي على بتلات معدة بشكل مشابه من أجل التقاط الاختلافات في هذه القوالب.
نتيجة لتطبيق الجسيمات عن طريق الطرد المركزي على الوردة 1 ، تم الحصول على أنماط بقطر عنصر فندق 1 '= 19.85 ± 3.82 ميكرومتر ( 3 ب - 3 ج ) ، وهو انحراف بمقدار 2 ميكرومتر عن النمط الأصلي. يمكن أن يحدث الاختلاف بنسبة 10 ٪ بسبب تشوه ملامح سطح البتلات تحت تأثير ضغط الشعيرات الدموية و / أو وزن الجسيمات المترسبة.
بالنسبة للوردة 2 ، كان متوسط حجم عناصر النمط للجسيمات المطبقة 2 '= 23.23 ± 3.98 ميكرومتر ( 3e - 3f)، بمعنى آخر. كان الانحراف عن الأصل حوالي 3 ميكرون. تم تسجيل هذه الاختلافات أيضًا كتحولات في متوسط القيم الجاوس للرسم البياني الذي تم الحصول عليه ( 3 جم - 3 ساعات ).
شكل الجزيئات الموزعة للبتلات وأسطح BIOMAP متشابهة جدًا ، مما يشير إلى تكرار جيد. ومع ذلك ، يؤكد الانحراف والتفرطح أن التغييرات الطفيفة الموصوفة أعلاه (الانحرافات) هي أخطاء منهجية (3i).
بطبيعة الحال ، تجدر الإشارة إلى أن جميع أنماط BIOMAP الناتجة (المميزة بعلامة "-") معكوسة للأصل (بتلات الورد ، المميزة بعلامة "+") ، وإن كان ذلك بدرجة عالية من النسخ. للحصول على نفس النمط الموجود على البتلة ، من الضروري أولاً إجراء نسخ متماثل باستخدام المطاط الصناعي PDMS ، ثم من هذا "الانطباع" لعمل نسخة باستخدام BIOMAP. بشكل تقريبي ، للحصول على مطبوعات متطابقة (غير معكوسة) من بتلة الورد ، تحتاج إلى إجراء العملية مرتين (أولئك الذين هم على دراية بالطهي يعرفون كيفية إزالة كعكة من قالب باستخدام طبقين).
الصورة رقم 4
توضح الصور أعلاه درجة دقة BIOMAP في إنشاء نمط وردة اصطناعية. أولاً ، يتم عمل قالب أساسي / مسودة (-) عن طريق التأثير الدقيق لـ PDMS من سطح بتلة الورد ( 4 أ). يتم بعد ذلك ملء قالب PDMS بجزيئات ULMCS ، والتي يتم تلبيدها بعد ذلك باستخدام CUPACT وتتم إزالة العينات ( 4 ب - 4 ج ). والنتيجة هي عينة نهائية من (+) ULMCS ، وإن كانت مع وجود فجوات أكبر بين ميزات السطح مقارنة بزهرة الورد ( 3 أ ) ، بسبب الاحتفاظ كروية الجسيمات بعد CUPACT.
على الرغم من القيود المفروضة على إنشاء سطح أملس مستمر تمامًا ، فإن هذه الطريقة توضح أقرب نظير لسطح وردة ( 4 ب) ، التي تم إنشاؤها باستخدام مبادئ الكيمياء الفيزيائية والحركية الكيميائية. بالإضافة إلى نسيج السطح الجديد ، من الواضح أيضًا أنه يمكن استخدام نسخة منقوشة من المعدن (-) من سطح البتلة كقالب لإنشاء نظير مرن لبتلة الورد ، نظرًا لأن القوى الشعرية ستمنع اللدائن اللزجة غير المتشابكة من اختراق شبكة المسام.
لاختبار هذه النظرية ، تم ملء العناصر المعدنية (-) بـ PDMS ( 4d ) ، وبعد ذلك تم الحصول على نمط مرتفع (+) مشابه لتلة الورد ( 4e - 4f ).
عند استخدام المعدن للحصول على نسخة ، كان هناك انحراف في أبعاد العناصر الناتجة عن الأصل بنحو 10٪. ولكن في حالة استخدام المعدن كقالب لإنشاء عناصر PDMS ، لم يتم ملاحظة تغييرات كبيرة في الحجم.
على الرغم من جميع الاختلافات بين النسخ والأصل ، فإن قيم الترطيب * للسطح الأصلي والنسخة المتماثلة متشابهة تمامًا (مقارنة الكراهية للماء عند 4g ).
ترطيب * - تفاعل سائل مع سطح صلب أو سائل آخر.كانت بتلة الورد شديدة المقاومة للماء بمتوسط زاوية تلامس قدرها 133.1 ± 5.0 درجة ، بينما أعطت نسخة المحاكاة الحيوية (+) عينة ULMCS ( 4b ) متوسط زاوية تلامس * 138.7 ± 14.7 درجة. أظهرت نسخة PDMS المتماثلة زاوية اتصال أصغر.
زاوية الترطيب (زاوية التلامس) * - الزاوية بين الظل المرسوم على سطح السائل والسطح الصلب. تحدد هذه المعلمة التفاعل بين الجزيئات لجزيئات سطح مادة صلبة مع سائل.تم استخدام جزيئات CUPACT الملبدة غير الملبدة (CAP عند 4 جم ) وجزيئات PDMS كمجموعة تحكم أثناء التحليل (الخط المتقطع عند 4 جم ).
تُظهر القطرات الموجودة على الأسطح غير المنسوجة للجسيمات الملبدة ، التي تنتشر ببطء في السطح المسامي ، مقاومة مؤقتة للماء. من المفترض أن تكون هذه الكراهية الطفيفة التي لوحظت على طبقة الجسيمات الملبدة ناتجة عن وجود ربيطة سطحية كبيرة منتهية بالميثيل تستخدم لتثبيت ULCMS.
لمزيد من مقارنة الترطيب بين عينات المحاكاة الحيوية والعينات الطبيعية ، تم إمالة القطرات الموجودة في نمط BIOMAP ( 4 ب) لمحاكاة تأثير البتلة. كما هو متوقع ، تلتصق القطرات بالسطح ، وإن كان ذلك بزاوية تلامس كبيرة مع زيادة زاوية الميل ( 4 ساعات وفيديو أدناه).
عرض لخصائص ترطيب بتلة الورد ونسخة معدنية.
لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.
الخاتمة
في هذا العمل ، تمكن العلماء من صنع نمط معدني مقلد حيويًا على أساس ركيزة ناعمة (أي بتلة الورد). تقلد العناصر المصنعة تمامًا البديل الحيوي في كل من البنية وخصائص الترطيب ، وإن كان ذلك مع انحرافات صغيرة ، وأعمال فنية لطريقة معالجة BIOMAP وعدم تناسق في خصائص المادة.
إذا قمنا بتبسيط الدراسة بأكملها إلى جملة واحدة ، فسيكون العلماء قادرين على تكوين انطباع بتلات الورد من جزيئات المعدن. النسخة المتماثلة الناتجة لها نفس خصائص النسخة الأصلية. يجب إيلاء اهتمام خاص لمقاومة الماء للمواد المطورة ، والتي تم تحقيقها سابقًا بطرق أكثر تعقيدًا وتكلفة.
يتميز الهيكل الذي تم إنشاؤه بقوة ومتانة المعدن والكره للماء من بتلات الورد الرقيقة. هذا التهجين للخصائص يجعل من الممكن إنشاء أنواع مختلفة من المواد ، وتوسيع نطاق تطبيقاتها. وفقًا للعلماء ، يمكن استخدام تطويرها في مجموعة متنوعة من الصناعات ، من الطب (تكرار الهياكل النانومترية لاستبدال الأجزاء التالفة بشكل أكبر) إلى صناعة الطيران (معالجة أجنحة الطائرات لتقليل الجليد أثناء الطيران).
مهما كان الأمر ، فقد أظهرت الطبيعة مرة أخرى أنها مصدر إلهام لا ينضب تقريبًا ليس فقط للفنانين الذين يصنعون مناظر طبيعية خلابة ، ولكن أيضًا للعلماء الذين يخترعون أجهزة وأنظمة لا تصدق.
شكرا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين ولديكم أسبوع عمل جيد يا رفاق. :)
قليلا من الدعاية
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، VPS السحابية للمطورين من 4.99 دولارًا ، وهو تناظرية فريدة من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 مراكز) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من 19 دولار أو كيفية تقسيم السيرفر بشكل صحيح؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 وما يصل إلى 24 مركزًا وذاكرة DDR4 بسعة تصل إلى 40 جيجابايت).
هل Dell R730xd 2x أرخص في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14C 64 جيجا بايت DDR4 4x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تلفزيون من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية للمبنى. فئة مع استخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل فلس واحد؟