Inspiriert von einer Wasserspinne haben Forscher ein neues Oberflächenmaterial geschaffen, das unter Wasser monatelang trocken bleibt und äußerst resistent gegen die Anhaftung von Bakterien und Meereslebewesen wie Seepocken ist. Sie sagen, das Oberflächenmaterial sei einfach herzustellen, skalierbar und habe breite praktische Anwendungen.

Was in der Natur funktioniert, funktioniert oft auch beim Menschen. Das Problem besteht darin, die erforderlichen bioinspirierten Materialien mit vorhandenen Werkzeugen herzustellen, was manchmal leichter gesagt als getan ist.

Jetzt haben Forscher unter der Leitung der John Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Harvard genau das getan und eine superhydrophobe Metalloberfläche entwickelt, die von einer Wasserspinne inspiriert wurde. das heißt, es weist Wasser ab und kann unter Wasser monatelang trocken bleiben.

Joanna Aizenberg, eine der Co-Autorinnen der Studie, sagte: „Bio-inspirierte Materialforschung ist ein äußerst spannendes Feld, das weiterhin elegante, in der Natur entwickelte Lösungen in den Bereich künstlicher Materialien einbringt und es uns ermöglicht, neue Materialien mit beispiellosen Eigenschaften einzuführen. Diese Studie zeigt beispielhaft, wie die Entdeckung dieser Prinzipien zur Entwicklung von Oberflächen führen kann, die unter Wasser superhydrophob bleiben.“

Argyroneta aquatica, auch Taucherglockenspinne genannt, ist die einzige bekannte Spinne, die fast ausschließlich unter Wasser lebt. Millionen rauer, hydrophober Zotten schließen Luft um den Körper herum ein, bilden ein Sauerstoffreservoir und bilden eine Barriere zwischen der Lunge der Spinne und dem Wasser. Die dünne Luftschicht, die in den Haaren der Spinne eingeschlossen ist, wird Plastron genannt.

Forscher wissen seit Jahrzehnten, dass es theoretisch möglich ist, ein stabiles Unterwasserfahrwerk zu schaffen. In der Praxis würde die Schaffung einer rauen Oberfläche wie bei einer Taucherglockenspinne jedoch dazu führen, dass die Oberfläche weniger mechanisch stabil und anfällig für kleine Temperatur- und Druckänderungen ist. Und in früheren Experimenten konnten Oberflächen nur wenige Stunden trocken bleiben.

Forscher wissen, dass die Benetzbarkeit sehr empfindlich von den Oberflächeneigenschaften auf molekularer Ebene abhängt und stark von der Oberflächentopographie beeinflusst wird. Sie schufen also eine aerophile Titanoberfläche – also eine Oberfläche, die Luft- oder Gasblasen anzieht und ausstößt – und nutzten elektrochemische Oxidation, um eine Oxidschicht zu bilden, während sie die gebildeten Oxide chemisch auflösten, um eine Rauheit im Nanometerbereich zu erzeugen.

Um die Stabilität der Oberfläche zu testen, setzten die Forscher sie Biegen, Verdrehen, heißem und kaltem Wasser sowie Sand- und Stahlabrieb aus und stellten fest, dass sie aerophil blieb. Es wurde mehr als 208 Tage lang ununterbrochen in Wasser eingeweicht (zum Zeitpunkt der Veröffentlichung der Studie war die Oberfläche immer noch in Wasser eingeweicht und zeigte keine Anzeichen von Zersetzung) und hunderte Male in einer mit Blut gefüllten Petrischale. Die Oberfläche reduziert das Wachstum von E. coli und Seepocken deutlich und verhindert vollständig das Ansetzen von Muscheln.

Alexander Tesler, Erstautor der Studie, sagte: „Wir haben eine vor 20 Jahren von Theoretikern vorgeschlagene Charakterisierungsmethode verwendet, um zu zeigen, dass unsere Oberfläche stabil ist, was bedeutet, dass wir nicht nur eine neue Art extrem abweisender, extrem haltbarer superhydrophober Oberfläche geschaffen haben, sondern wir können dies auch mit anderen Materialien tun.“

Die Forscher sagen, dass die Oberfläche mehrere Verwendungszwecke hat. Es könnte in biomedizinischen Geräten eingesetzt werden, um postoperative Infektionen zu reduzieren oder Korrosion von Unterwasserrohren und -sensoren zu verhindern. Es kann auch mit einem anderen bioinspirierten Material verwendet werden, das vor mehr als 10 Jahren vom SEAS-Team entwickelt wurde: der Synovialflüssigkeit-infundierten porösen Oberflächentechnologie (SLIPS).

Stefan Kolle, Co-Autor der Studie, sagte: „Die Stabilität, Einfachheit und Skalierbarkeit dieses Systems machen es für reale Anwendungen sehr wertvoll. Mit der hier vorgestellten Charakterisierungsmethode zeigen wir ein einfaches Toolkit, mit dem Sie superhydrophobe Oberflächen auf Stabilität optimieren können, was Ihren Anwendungsbereich erheblich verändert.“

Die Forschung wurde in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht und zwei von SEAS produzierte Videos unten zeigen, wie die neue Oberfläche Wasser und Blut abstößt.