Foto door David G/Shutterstock
De natuur inspireert wetenschappers voortdurend. Sommige ideeën zijn nog in onderzoek, zoals superwarme wetsuits geïnspireerd door bevers. Maar andere maken al deel uit van het menselijk leven, zoals klittenband (gebaseerd op klisbramen) en de Japanse kogeltrein (gemodelleerd naar de lange, smalle snavel van ijsvogels).
Krekels inspireerden het recente onderzoek van mijn team naar zelfreinigende oppervlakken.
Je autoruiten brandschoon houden kan aanvoelen als een eindeloze strijd tegen de krachten van vuil en stof. Maar insecten zoals cicaden hebben een fascinerend trucje achter de hand dat ervoor zorgt dat hun vleugels brandschoon blijven, zonder dat het insect er moeite voor hoeft te doen. En het kan de sleutel zijn om ons het gedoe van constant schoonmaken te besparen.
Het onderzoek van mijn team onderzocht het mechanisme achter dit zelfreinigende proces.
Dankzij de bijzondere textuur van cicadevleugels condenseert ochtenddauw op de vleugels en groeit geleidelijk uit tot kleine waterdruppeltjes. Deze druppeltjes verwijderen stofdeeltjes en micro-organismen wanneer ze tegen elkaar botsen of langs de vleugels van het insect naar beneden rollen.
Krekels zijn niet de enige insecten die zelfreinigende lichamen hebben ontwikkeld. Veel vlinders hebben vleugels die zichzelf kunnen schoonmaken. Andere wezens zoals gekko’s en bepaalde plantenbladeren, zoals lotus en rijst, gebruiken ook de beweging van druppels om zichzelf stofvrij te houden, net zoals krekels doen. Deze bewegende druppels helpen ook om bacteriën te verwijderen, waardoor de kans op infecties afneemt.
Water ‘parelt’ op een lotusblad.
tanakawho/flickr
Als een vloeistof op de meeste oppervlakken wordt gemorst (denk aan een omgegooide mok koffie), zal het zich gewoon over het oppervlak verspreiden en daar blijven.
Maar dauwdruppels gedragen zich anders op cicadevleugels vanwege iets dat ingenieurs “super-hydrofobiciteit” noemen, of extreme waterafstotendheid. Het oppervlak van cicadevleugels bevat een complexe ordening van duizenden kleine met was bedekte kegeltjes. Waterdruppels op de vleugel nemen een kraalachtige vorm aan omdat ze zo min mogelijk in contact willen komen met het vleugeloppervlak. Dit komt door de was die water afstoot en de kegelvormige uiteinden, die voorkomen dat bolvormige waterdruppels het vleugelmembraan binnendringen.
Dit lijkt op een opgeblazen ballon die over een spijkerbed wordt gelegd. Hij zal niet knappen omdat de druk over alle spijkers wordt verdeeld. In het geval van druppels vergemakkelijken de met was bedekte kegels de moeiteloze beweging van de druppels op de vleugels van cicades.
Springende en rollende waterdruppels
Eerdere studies toonden aan dat de zwaartekracht ervoor zorgt dat grotere druppels langs de wasachtige vleugels van cicaden naar beneden rollen, waarbij ze onderweg talloze verontreinigingen oppikken.
Maar hoe kleinere druppeltjes, die te klein zijn om door de zwaartekracht getrokken te worden, vuil oppikken, bleef tot nu toe onopgehelderd. We ontdekten dat kleine druppeltjes na verloop van tijd samensmelten met hun buren.
De samengevoegde druppel springt van het oppervlak af in plaats van eraf te rollen. Tijdens de sprong neemt de druppel een vorm aan die lijkt op een heteluchtballon die op het punt staat op te stijgen van de grond. Uit ons onderzoek bleek dat deze heteluchtballonvorm cruciaal is om de druppels in staat te stellen vuil van het oppervlak mee te nemen.
Springende waterdruppels
Waterdruppels naderen elkaar, smelten samen, trekken het stofdeeltje eronder en springen weg door het van het oppervlak mee te nemen. De heteluchtballonconfiguratie is te zien in de derde afbeelding.
S. Perumanath
Het blijkt dat het de oppervlaktespanning van de vloeistofdruppel is die het vuil opneemt terwijl de druppel in de heteluchtballonvorm is. Oppervlaktespanning is de neiging van druppels die worden blootgesteld aan lucht om een bolvorm te behouden. Wanneer een druppel de heteluchtballonvorm aanneemt met vuil eronder, zal hij proberen weer een bol te vormen. Tijdens dit proces trekt het onbedoeld het vuil weg van het oppervlak.
We hebben ook gezien dat waterdruppels niet alle verontreinigingen op deze manier kunnen verwijderen. Op cicadevleugels bijvoorbeeld, kunnen waterdruppels wel kleine zanddeeltjes verwijderen, maar niet die van roet.
We ontdekten ook dat, ongeacht of druppels springen of rollen, het mechanisme voor het losmaken van verontreinigingen van een oppervlak hetzelfde blijft. Als een grotere druppel langs vuil rolt, wordt het oppervlak vervormd. De druppel zal proberen zijn natuurlijke bolvorm te behouden, waardoor, net als bij samengevoegde druppels, het vuil van het oppervlak wordt getrokken.
Natuurlijke techniek
In de toekomst kunnen ingenieurs wat we geleerd hebben over cicadevleugels verwerken in productontwerpen en dan hoeven we misschien geen water meer te spatten en onze ruiten en andere oppervlakken schoon te vegen omdat ze zichzelf schoonmaken.
Stel je ramen van wolkenkrabbers, zonnepanelen en lenzen van bewakingscamera’s voor die zichzelf kunnen schoonmaken. Een superhydrofobische coating kan ook vorstvorming op verschillende oppervlakken in de winter helpen voorkomen – zoals de voorruit van je auto.
Dit zal een goede aanvulling zijn op de lijst van op handen zijnde upgrades van onze bestaande infrastructuur, naast op plantenbladeren geïnspireerde efficiënte zonnepanelen en op termietenheuvels geïnspireerde gebouwen met effectievere ventilatie in steden over de hele wereld.
Zelfs op de meest stedelijke plekken is de natuur overal om ons heen.
Sreehari Perumanath ontvangt financiering van de Leverhulme Trust via de Early Career Fellowship ECF-2021-137. Dit werk werd voltooid in samenwerking met Dr. Rohit Pillai en Dr. Matthew K. Borg, University of Edinburgh, UK, die financiering ontvingen van de Engineering and Physical Sciences Research Council (EP/R007438/1, EP/V012002/1, en EP/N016602/1). Alle simulaties werden uitgevoerd op ARCHER2, gefinancierd door een EPSRC/ARCHER2 Pioneer Project.
