Vloeistofbeheersing met nanosprietjes

Vloeistofbeheersing met nanosprietjes

Bron: Redactie Tweakers.net

De R&D afdeling van Lucent Technologies, Bell Labs, heeft een methode ontwikkeld om het gedrag van vloeistofdruppels te beheersen. De onderzoekers maken hiervoor gebruik van siliciumoppervlakken met piepkleine grassprietachtige structuren, zo is onze redactie onder ogen gekomen. De details van deze nanogras-technologie worden op elf mei aanstaande gepubliceerd in het Langmuir tijdschrift van de American Chemical Society. De sprieten zijn enkele nanometers groot, zo klein dat de vloeistofdruppels erop blijven liggen en zo gestuurd kunnen worden. Onderzoeksleider Tom Krupenkin zegt dat door het nanogras het oppervlak van de ondergrond dat door de druppel wordt aangeraakt, sterk wordt verminderd.

De interactie tussen de vloeistof en de ondergrond wordt hierdoor met een factor honderd tot duizend verkleind. De sprieten zijn bedekt met een waterafstotend materiaal; wanneer er druppels op het gras vallen, worden deze verplaatst zonder dat de ondergrond met de vloeistof in aanraking komt. Met behulp van een beetje stroom kan men de druppels laten dalen en kan de ondergrond naar wens wel nat worden gemaakt. Doordat de druppels ook reageren op temperatuurverandering is deze techniek zeer geschikt voor het koelen van bijvoorbeeld computerchips. Een vloeistofdruppel kan zich naar een warm deel van de chip begeven, daar afdalen naar het oppervlak en de warmte absorberen. Op deze manier kan de chip gestuurd gekoeld worden op alleen de warme delen, in plaats van de hele chip onnodig af te koelen.

Bell Labs werkt samen met het New Jersey Nanotech Consortium om de nanogras-technologie in te zetten bij het ontwikkelen van microaccu's. Waar huidige batterijen continu bezig zijn met het opwekken van elektrochemische reacties, zou de nieuwe techniek het mogelijk maken om dit pas te doen wanneer de spanning echt nodig is. Door het isoleren van de elektrolytvloeistoffen met behulp van de siliciumsprieten blijven de reacties achterwege totdat de cel aangezet wordt tot het produceren van de nodige elektriciteit. Op deze manier ontstaan kleine batterijen met veel vermogen en een lange levensduur. Siliciumgras kan volgens de onderzoekers ook gebruikt worden voor bijvoorbeeld optische netwerken en lab-on-chip-apparatuur:
Door een druppel vloeistof in het 'nanograss'-oppervlak te verplaatsen, kunnen de fysieke eigenschappen van het zendmedium, waarmee lichtsignalen worden verzonden, worden aangepast. Hierdoor kunnen optische switch-methoden verbeterd worden. Nieuwe optische componenten, zoals filters, kunnen gemaakt worden door vloeistof in een 'nanogras'-omgeving te verplaatsen.

[...] Een andere toepassing van 'nanograss' is 'lab-on-chip'-apparatuur. "Hierbij is te denken aan apparatuur die duizenden verschillende chemische reagens gebruiken, die elk in een kleine punt op de bodem van het 'nanograss' geplaatst zijn. Op die manier is nieuwe apparatuur mogelijk voor gecombineerde chemische en genetisch analyse. Andere toepassingsmogelijkheden van 'nanograss' zijn torpedo's met minimale wrijving, zelfreinigende voorruiten en snellere boten. Hiervoor zijn de vloeistofsturende kenmerken van 'nanograss' essentieel."

Een lotusblad blijft altijd schoon en droog. Zelfs water en lijm krijgen er geen grip op. De bladeren zijn extreem waterafstotend, dankzij een microscopisch patroon van wassen nopjes. Door verf en sprays met dit patroon uit te rusten, zijn zelfreinigende gevels, ondoordrenkbaar papier en eeuwig schone stropdassen te maken.

Rein zijn als de lotus
"Ruw oppervlak blijft brandschoon"

Het liefst groeit de lotus op een bodem van modder en slijk. Toch kijkt de plant smetteloos uit over het oppervlak van de modderpoel. Hoe vies de omgeving ook is, vuil en smeer krijgen gewoonweg geen kans om zich vast te hechten aan de bladeren. Met elke regenbui spoelen ze er weer van af. Niet voor niets staat de lotus in Azië symbool voor reinheid en zuiverheid. Daar weten ze al duizenden jaren dat een lotusblad niet vies is te krijgen.
 
Zelfs water kan geen grip op de lotus krijgen. De bladeren van de lotus zijn zó waterafstotend, dat een druppel er onder zijn eigen gewicht vanaf rolt, zonder een spoor na te laten. Een lotusblad lijkt daarom een beetje op een hete kachelplaat, waar waterdruppels ook geen houvast op krijgen.
 
Alsof je op blote voeten over koude plavuizen loopt, zo gedraagt water zich als het op een lotusblad valt. Elk contact met de ondergrond wil een waterdruppel dan vermijden. Mensen doen dat door op hun tenen te gaan lopen, en water probeert in dit geval zoveel mogelijk een bolvorm aan te nemen. Heel begrijpelijk, want een druppel maakt veel minder contact met de ondergrond dan een plasje.
 
Hoe de lotus dat precies voor elkaar krijgt, is nog niet zo lang bekend. Halverwege de jaren negentig maakte de Duitse plantenkundige Wilhelm Barthlott bekend dat de plant zijn zuiverheid dankt aan een enorm ruw oppervlak. De lotus bleek bezaaid met onzichtbaar kleine nopjes, die als een speldenkussen het bladoppervlak bedekken.
 
Op het oog mag een lotusblad dan wel glad lijken, onder krachtige microscopen komt het werkelijke ruwe oppervlak van het blad tevoorschijn. Barthlott ontdekte op deze manier dat ook de nopjes op hun beurt allesbehalve glad zijn. Ze zijn bezaaid met waterafstotende kristallen, gemaakt van een soort was. Van nature is was al waterafstotend, maar de overvloed aan waskristallen maken een lotusblad ‘extreem waterafstotend’.
 
Zelfs stoffen die zelf ook waterafstotend zijn, kunnen zich niet handhaven op een lotusblad. Dit komt volgens Barthlott doordat stof en andere vuildeeltjes alleen in aanraking komen met de bovenkant van de noppen. De Duitser vergelijkt het met een fakir die op een spijkerbed ligt. Het contact met de spijkers is minimaal, en dat geldt ook voor het vuil dat op de noppen van een lotus liggen. Er is zo weinig contact dat waterafstotende vuildeeltjes nog liever hechten aan water. Bij de eerste de beste regenbui laat het vuil zich dan ook gewillig afvoeren. De lotus heeft hier veel profijt van, aangezien de bladeren altijd open staan voor zonlicht.
 
Daarnaast werken de waskristallen van de lotus als afweersysteem. Net als vuil hebben ook bacteriën en andere ziektekiemen niets te zoeken op een lotusblad. Zelfs de gemeenste parasiet kan geen grip krijgen, en blijft doelloos op het blad liggen. Zodra het gaat regenen, spoelt het organisme weg. En mocht de regen lang op zich laat wachten, dan sterft het door uitdroging.
 
Om een lotusblad schoon en smetvrij te maken, heb je dus alleen water nodig. Juist dit kenmerk maakt de lotus commercieel interessant, denkt Barthlott. Samen met de universiteit van Bonn heeft hij een bedrijfje opgericht om de microscopische structuur van de lotus na te maken. De eerste producten met dit zogeheten ‘lotus-effect’ zijn al verkrijgbaar, zoals een muurverf speciaal voor gevels. Gevelreiniging kun je dan aan de natuur overlaten. Een flinke regenbui spoelt alles schoon.