Bioinspiroitu pinnoitustekniikka on paradigman muutos materiaalitekniikassa, joka perustuu luonnon miljardien vuosien evoluution kehittämiseen. Toistoamalla mikro- ja nanorakenteita, joita löytyy organismeista, kuten nilviäisistä, kuoriaisista ja kasveista, insinöörit kehittävät pinnoitteita, jotka ovat kevyempiä, vahvempia ja kestävämpiä kuin niiden tavanomaiset vastineet. Nämä menetelmät tarjoavat tien suorituskyvyn huomattavaan parantamiseen ilmailu-, biolääketieteen, meri- ja autoteollisuuden aloilla ja vähentävät samalla ympäristövaikutuksia. Tässä artikkelissa tarkastellaan bioinspiroitujen pinnoitusten periaatteita, sen muuntavia sovelluksia, nykyisiä etuja, jäljellä olevia haasteita ja lupaavaa tulevaisuutta tällä monialaisella alalla.

Mitä ovat bioinspiroidut Plating-tekniikat?

Bioinspiroitu pinnoitus sisältää biologisten rakenteiden ja prosessien tarkoituksellisen jäljittelyn synteettisten pinnoitteiden luomiseksi. Luonto tarjoaa monipuolisen kirjaston optimoiduista malleista: erittäin tilattu tiili-ja sorttirakenne nacre (äiti-of-pearl) antaa poikkeuksellisen sitkeyden; hain iholla olevat mikrorihmastot vähentävät vetämistä ja hankauksen vastustamista; lootuslehtien hierarkkinen mikro- ja nano-sommutus yhdistettynä vahamaiseen pintaan tuottaa superhydrofobicity- ja itsepuhdistus. Insinöörit muuntavat nämä periaatteet käytännön pinnoitteiksi, kuten elektrodepositio, kemiallinen höyrypinnoitus, kerros-keräys ja lisäainevalmistus.

Esimerkiksi nacre-mimeetit valmistetaan käyttämällä mikromuovaus- tai laserteksturointia, joka vähentää myrskyisällä puristusta jopa 8%:lla nestevirroissa. Lotus-vaikutus pinnoitteet saavutetaan sol-gel-prosesseilla tai nanohiukkaslaskeumalla, mikä johtaa kosketuskulmiin yli 150 astetta ja itsepuhdistuvia ominaisuuksia. Nämä tekniikat valjastavat luonnollisen valinnan tehokkuuden voittaakseen perinteisten pinnoitusmenetelmien rajoitukset.

Tekniikan sovellukset

Bioinspiroitujen pinnoitustekniikoiden sopeutumiskyky on johtanut niiden käyttöönottoon eri tekniikan aloilla, ja kukin niistä on auttanut ratkaisemaan erityisiä luonnonmalleja teollisuuskohtaisten ongelmien ratkaisemiseksi.

Ilmatila

Aerosocial-alalla painon vähentäminen ja korkea lujuus-painosuhde ovat kriittisiä. Bioinspiroidut pinnoitteet jäljittelevät hyönteisten eksotuki- ja linnunluiden rakennetta ja tiivistävät kovaa ulkokuorta kevyellä, huokoisella sisustuksella. Nacre-mimeettiset monikerroksiset, alumiiniseoksiin sovellettavat aineet parantavat iskunkestävyys- ja väsymisikää ja lisäävät samalla minimimassaa. Lisäksi hain-ihon riblet-pinnoitteet ilma-alusten rungoissa ja siipissä vähentävät aerodynaamista draamaa, mikä johtaa polttoainesäästöihin 1.15 prosentilla pitkillä lennoilla. ]:n tutkimus :n luonnontieteelliset raportit [] osoittivat, että riblet-pinnoitteet vähentävät ihokitkavetoa merkittävästi torvent virtausolosuhteissa.

Biolääketiede

Bioinspiroitu pinnoitus on mullistanut ortopediset ja hammasimplantit. Luun huokoisen, mineraalisoidun arkkitehtuurin jäljitteleminen edistää osseointegraatiota. ...ja elävän luun ja implantaatin pinta-alan välinen suora rakenteellinen ja toiminnallinen yhteys. Tekniikat, kuten hydroksiapatiittipinnoitus nacren tapaisella kerroksella, tuottavat pinnoitteita, jotka ovat sekä bioyhteensopivia että mekaanisesti kestäviä. Lisäksi nanopilareista innoittamat antibakteeriset pinnat osoittivat, että nämä rakenteet tappavat tehokkaasti gramnegatiivisia bakteereja. Tällaisista pinnoitteista tulee standardi lonkkareihin liittyvissä infektioissa ilman antibioottien tarvetta. ACS Applied Materials & Interfaces] -tutkimuksessa julkaistu tutkimus on osoitettu.

Meriliikenne

Meriympäristöissä on vakavia korroosio- ja biosietohaasteita. Bioinspiroitu pinnoitus vetää huokoisten kalojen liukkaista pinnoista, kuten loakasta (joka erittää limankerroksen) ja valaankuoren barnaa repeävästä kemiasta. Lootuksen lehtiin perustuvat superhydrofobiset pinnoitteet vähentävät veden kosketusta ja estävät siten mikro-organismien, barnakkelien ja levien tarttumista. Samanaikaisesti liukkaat nestemäiset huokoiset pinnat (SLIPS) ovat saaneet aikaan nepenthes-kannutehtaan ympäristöhaitoista. Yhdysvaltain laivasto on testannut SLIPS-pinnoitteita alusten rungossa, ja raportoinut 40 prosentin drag- ja merkittävästi pienemmästä polttoaineenkulutuksesta.

Auto

Autotekniikka hyötyy bioinspiroiduista pinnoitteista, jotka lisäävät kulumisenkestoa ja vähentävät kitkaa. Esimerkiksi aavikkokuoriaisen kuorista inspiroitu kaksivaiheinen karheus mahdollistaa veden talteenoton sumusta, konseptin, joka soveltuu itsestäänvoiteleviin laakeripintoihin. Timanttityyppiset hiilipinnoitteet, joissa on hierarkkinen nacre-tyyppinen rakenne, joka kohdistuu männiin ja hammaspyöriin, vähentävät kitkaa jopa 30% ja pidentävät komponenttien käyttöikää. Lisäksi itseparantavat pinnoitteet, jotka sisältävät mikrokapseleita, jotka ovat täynnä parantavia aineita, jäljittelevät haavankorjausprosessia puunkuoressa ja eläinten ihossa. Kun näitä kapseleita on naarmutettu, ne voivat vähentää huoltokustannuksia ja pidentää ajoneuvon kehon elinikää merkittävästi.

Bioinspiroidun Platingin edut

Kun malleja mitataan perinteisiin pinnoitusmenetelmiin nähden, bioinspiroidut lähestymistavat tuottavat useita keskeisiä etuja, jotka vastaavat nykyaikainen suorituskyky-, kestävyys- ja kustannustehokkuusvaatimuksia.

  • Kestävyys on parantunut:[ Nacre-mimeettiset monikerroksiset ja itseparannusmekanismit laajentavat komponenttien käyttöikää pidemmälle kuin mitä monoliittisilla pinnoitteilla on saavutettavissa. Hierarkkinen rakenne hajoaa stressistä ja pysäyttää crack-kasvun, mikä tarjoaa ylivoimaista sitkeyttä.
  • Kevyet materiaalit:[] Käyttämällä luu- tai linnunsulkien inspiroimia huokoisia arkkitehtuuria insinöörit voivat vähentää painoa 20.40 prosenttia säilyttäen rakenteellisen eheyden. Tämä on ratkaisevan tärkeää ilmailu- ja autoteollisuudessa, joilla jokainen kilo säästetty vähentää energiankulutusta.
  • Parempi resistenssi:[] Superhydrofobinen ja neste-infusoitu pinta vähentää merkittävästi korroosiota ja biosietoa. Merisovelluksissa ne leikkaavat vedä ja poistaa myrkyllisten biosidien tarpeen; biolääketieteellisissä tarkoituksissa ne tarjoavat ei-kemiallista antibakteerista toimintaa.
  • Ekoystävällisiä prosesseja:[] Monet bioinspiroidut tekniikat välttävät raskasmetalleja, haihtuvia orgaanisia yhdisteitä ja korkeita lämpötiloja. Esimerkiksi vesipohjaiset soligeeliprosessit lootus-efektipiineille käyttävät silika-nanopartikkeleita ja silanaatteja, mikä vähentää ympäristöjalanjälkeä. Pinnoitteiden valmistus vähentää myös materiaalijätettä verrattuna vähennettäviin menetelmiin.
  • Multifunktioniteetti:[ Yksi bioinspiroitu pinnoite voi integroida vetämisen vähentämisen, bakteerien toiminnan ja itseparannuksen, kun taas perinteiset pinnoitteet edellyttävät tyypillisesti erillisiä kerroksia jokaiselle ominaisuudelle.

Haasteet ja tulevaisuuden linjaukset

Lupauksistaan huolimatta bioinspiroidut pinnoitustekniikat eivät ole vielä valtavirtaan, ja monet esteet on poistettava, jotta teollisuus omaksuisi ne laajalti.

Kalibrointi:[ Monet luonnossa löydetyistä monimutkaisista nanorakenteista ovat vaikeasti toistettavissa suurilla alueilla suurella läpimenolla. Nacre-mimeettisten kerrosten valmistus vaatii tarkkaa valvontaa laskeumanopeuksille ja substraattien lämpötiloille, mikä on kallista ja hidasta. Samoin hain-ihon kylkiluiden lasertekstointi rajoittuu pieniin eräkokoihin. Tutkijat tutkivat rullasta rolliin -käsittely- ja itsekoostutusmenetelmiä mittakaavassa, mutta kaupallinen kannattavuus säilyy muutaman vuoden päässä.

Kohde:[] Erikoislaitteet ja materiaalit. Esimerkiksi polymeerimikrokapseleita itseparantamiseen tai nanosavea orgaanisille epäorgaanisille hybrideille voi olla kallista. Kuitenkin, kuten monien uusien teknologioiden kohdalla, kustannusten odotetaan laskevan valmistusprosessien kypsyessä ja kysynnän kasvaessa. McKinseyn raportissa ennustetaan, että bioinspiroitujen materiaalien markkinat voivat ylittää 50 miljardia dollaria vuoteen 2030 mennessä, mikä edistää investointeja automaatioon ja raaka-ainesynteesiin.

Kesto äärimmäisissä olosuhteissa:[ Jotkut bioinspiroidut pinnoitteet hajoavat korkeassa UV-altistuksessa, lämpötilan pyöräilyssä tai hankaavassa kulumisessa. Esimerkiksi huippuhydrofobiset pinnat voivat menettää vedenkestävyyden toistuvan mekaanisen kosketuksen jälkeen. Tutkimus keskittyy ... superhydrofobisiin pinnoitteisiin käyttämällä polymeerisidettä tai upottamalla rakenne kestävässä matriisissa. Myös itseä parantavat pinnoitteet tarjoavat tyypillisesti vain rajoitetun määrän parannusjaksoja ennen kuin kapseloidut aineet loppuvat.

Komplia luonnon malleja:[] Tarkan hierarkkisen organisaation toistaminen nano-makroskaalasta makroskaalaksi on haastavaa. Biologiset järjestelmät sisältävät usein aktiivisia antureita ja sopeutumista, joita on vaikea ymmärtää keinotekoisesti. Silti yksinkertaiset bioinspiroidut rakenteet tuottavat edelleen huomattavia tuloksia, ja koneoppimista käytetään nyt maaliominaisuuksien pinnoitusparametrien optimointiin.

]Tulevaisuuden suunta [ sisältää .living. pinnoitteet, jotka upottivat bakteeribiofilmit tai solut itsekorjaukseen ja reagoivat ärsykkeisiin esimerkiksi, suunniteltu E. coli, joka tuottaa mikrobilääkkeitä, kun halkeama havaitaan. Toinen lupaava alue on integroiminen anturit, jotka valvovat pinnoite eheyttä ja raportoivat kulumista reaaliajassa, mikä mahdollistaa ennustavan ylläpidon. Biomineralisointiprosessit, jotka käyttävät entsyymejä tallettaa mineraalit huoneenlämpöön, voivat johtaa lähes täydelliseen luonnon rakenteiden replikointiin. Lopuksi, yhdistämällä useita bioinspiroituja strategioita (esim. lootuslehti + nacre + hain iho) voisi johtaa pinnoihin, jotka ovat samanaikaisesti superhydrofobinen, kova, ja vedä-pelkistä.

Lähitulevaisuudessa teollisuus todennäköisesti ottaa käyttöön bioinspiroitu pinnoitus korkean arvon komponentteja, joissa suorituskyvyn voitot oikeuttaa kustannukset.Nämä ovat esimerkiksi lääketieteellisiä implantteja, turbiinin lapoja ja kilpa-autojen osia. Tutkimuksen edetessä nämä tekniikat leviävät massamarkkinoiden sovelluksiin, jotka muuttavat miten suojaamme ja parannamme suunniteltuja pintoja.