במשך עשרות שנים, מהנדסים חיפשו את הטבע לא רק בשביל השראה אסתטית, אלא גם עבור טביעות אצבע פונקציונליות שמפתורות כמה מהבעיות ההנדסיות הכי לא עקביות.בין האתגרים הדוחקים ביותר הוא ניהול תרמי – במיוחד, כיצד לבנות מגינים שיכולים לעמוד ולבטל במהירות את החום הקיצוני, בין אם הגנה על חלליות במהלך החזרה האטמוספרית, קירור רכיב אלקטרוני בסמארטפון הבא, או להגן על ציוד צבאי מפני איומים קלים יותר, על פני השטח, על ידי חומרים ממולקולות, ובאופן קבועות, אשר לעתים קרובות יותר, על פני השטח, על פני השטח, על ידי חומרים ממושכות יותר, חומרים ממושכות יותר, ממולקולות מבטיחות יותר, ממושכות יותר, ממולקולות יותר, ממושכות יותר, ממושכות יותר, על פני השטח, ממושכות יותר, ממולקולות מבטיחות יותר, ממולקולות מבטיחות יותר, על פני השטח, ממושכות יותר, על ידי חומרים ממולקולות יותר, ממושכות יותר, ממושכות יותר, ממושכות יותר, ממתכת, ממולקולות מבטיחות יותר, ממושכות יותר, ממושכות יותר ויותר, ממושכות יותר, ממושכות יותר, ממושכות יותר, ממושכות יותר, ממושכות יותר, ממושכות יותר, מאנרגיה ביולוגית, ממושכות יותר ויותר, ממושכות יותר, מ

מאמר זה מספק בדיקה מקיפה של איך מבנים בהשראת ביולוגית משמשים כדי לשפר את הפיזור החום בגנים.אנחנו לחקור את מנגנוני העברת החום הבסיסית, המודלים הביולוגיים הספציפיים הנמצאים כעת תחת חקירה, את הסינתזה וההפצה של טכניקות עבור חומרים אלה, ואת היישומים בעולם האמיתי שעומדים לטובת רוב. אנו גם לדון באתגרים של עיצובים מדרגים אלה ממעבדות לייצור קווי המתאר המבטיחים ביותר, באמצעות מחקרים ספציפיים, אשר ניתן לקשר בין השאר, כדי לאמת את המשאבים הספציפיים ביותר.

מימון של דיסipation Heat ב- Shielding Applications

פירוק חום בגנים כרוך בשלושה מצבים עיקריים של העברת חום: התנהגות, הדבקה וקרינה. בסביבות עתירי זמן גבוהים - כגון פני השטח של רכב היפרוזיאוני או הפנים של מודול חשמל אלקטרוניקה כוח - המגן חייב במהירות להעביר אנרגיה תרמית הרחק מן השטח המוגן או לשחרר אותו לסביבה.

מפתחי חום-המיסניזם מוגדל על ידי מבנים בהשראת

  • (FLT:0) קירור ראדיטיבי: 1FLT:1 פניות ביולוגיות רבות, כגון הקשקשים הלבנים של הבטים מסוימים, מציג תנופה גבוהה בחלון האטמוספרי (8–13 מיקרומטר), המאפשרים להם לקרינה חום ביעילות לחלל קר.
  • (FLT:0) העברת חום קולקטיבית:FLT:1hil מרקמים משטח בהשראת כנפיים חרקים וצמחים עלים ליצור גסות בקנה מידה מיקרון אשר משבשת את שכבת הגבול או קרירה זורם מעל המגן, להגדיל באופן משמעותי את מקדם העברת החום הזמנית.
  • (FLT:0) ניכוי באמצעות מבנים היררכיים: קיד 1 (Forous, רשתות מקושרות - בדומה העצם הטרקלין של בעלי חיים או השלד של ספוגי זכוכית - מוליכים חום ביעילות לאורך עוקץ מוצק תוך שמירה על המשקל החומרי הגדול.

מודלים ביולוגיים לניהול הירומל

הטבע מתחדש עם אורגניזמים ששגשגו בסביבות תרמיות קיצוניות.המודלים הביולוגיים הבאים הוכיחו במיוחד הרסניים לתכנון מגן.

שם הסרטון: Thorny Devil Liard (Shery Devil ליזארד:0)

[ה]הלטוש המדברי האוסטרלי מפורסם על המאזניים, המאזניים שלו, המאזניים מכוסים בצמחים מיקרוסקופיים שיוצרים משטח סופר-hydrophobic, אך תפקידם התרמי העיקרי הוא לשקף קרינה סולארית הקרובה ולאפשר קירור קומביטיבי.העמודים מגבירים גם את שטח פני השטח הכולל לחילופי חום.

שם הסרטון: The Desert Beetle:0

exoskeleton של beetle המדבר נמבי כולל דפוס של החלפת ליטות הידרופיליות הידרופיליות הידרופוביות. עיצוב זה ידוע בעיקר עבור קצירת מים, אבל אותם נטיות בצורת דום גם לפזר אור השמש פולטים יישומים אינפרא אדום ביעילות.מהנדסים יצרו פולימר וציפוי קרמיקה באמצעות photolithography ו 3D כדי לשכפל אלה כמו אלה.

כנפיים חרקים (Dragonflies, Cicadas)

כנפיים חרקים מכוסים בעמודי חלקיקים (בדרך כלל 100-500 ננומטר גבוה) מסודרים במערך חופפים. nanostructures אלה לגרום ⁇ של אינדקס השבירה המפחית את רפידות, אבל הם גם משבשים את זרימת האוויר ליד פני השטח, קידום שכבת הגבול ושיפור קירור כפוי.

מדרשים (ב"ג): "אַנְּטְטְטְטְטְטְטְטְטְלַה אֲשֶׁר אִתִּיְטְטְטְטְטְלֹאֶת" (בראשית כ"ד).

(ה) ספוגה (FLT:0) ,Euplectella AspergillemalemofSeedumFLT:1 (הידוע גם בשם גרגר הפרחים ונוס) יש מנוף קל, היררכי עשוי של אחליקה.למרות שנעשה מוליכים תרמיים יחסית (Slica), הגיאומטריה של הליטנסיבית- עם ציפוי מעגלי והיררכיה מבנית של קליפורניה - כמעט - 000 שימוש בגרסאות מכניות פשוטות יותר של מינרלים של חום וחום, לעומת זאת, 000 של אלקטריקפים, 000, 000, 000, 000 מוצקות, 000, 000 מוצקות, 000 של מחסנים של מחסנים של מחסנים של מחסנים של ⁇ ) וחום, 000, 000 מחסנים של מינרלים, 000, 000, 000, 000, 000 מחסנים אינטנסיביים, 000 מחסנים של אימוני חום, 000, 000 מחסנים של ⁇ , 000, 000 ⁇ , 000, 000, 000, 000 ⁇ , 000 מוצק של ⁇ , 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר חזק יותר חזק יותר מאשר שימוש יעיל יותר מאשר שימוש יעיל יותר חזק יותר חזק יותר חזק יותר מאשר

Plants and Cactus Spines

למרות פחות קשור ישירות לפירוק חום, המבנים של משטח כיוון של צמחי כר (שיצירת משטח חלקלק על השפה) ועמודי עמוד השדרה (אשר אוספים לחות) נתנו השראה עיצובים עבור ערוצי קירור מיקרו-השפעה המשולבים בתוך מגינים.על ידי הסרת מבנה עמוד השדרה של FLT:0Opuntiaurea 1 cactus, החוקרים פיתחו 500 מעבורת חום אטרקטיבית זה יכול לנוע על פני שטח ריק.

עקרונות עיצוב ומערכות חומריות

תרגם ביולוגיה להנדסה דורש הטמעת עקרונות פונקציונליים ולאחר מכן בחירת או עיצוב חומרים שיכולים להבין את העקרונות האלה בקנה מידה.

מבנים חיצוניים להגדלת ההדבקה והקרינה

העיקרון הבסיסי הנגזר מקשקשים טפילים וכנפיים חרקים הוא כי (FLT:0surface גסות בקנה מידה מיקרון ו submicron משבש את שכבת הגבול התרמית 1 ל קירור קולקטיבי, המבנה צריך להיות גבוה מספיק (10–100 מיקרומטר) כדי להסתער מעבר לשכבה הקסומה.

  • (FLT:0)Laser Surface טקסטing:FLT:1 Using FemtoII או ננו השני לייזרים כדי לטבול דפוסים ישירות על משטחים מתכת או קרמיקה. שיטה זו היא מהירה, ללא מסיכה, וניתן ליישם אותם על פני השטח מעוקלים לעתים קרובות עם שינויים כימיים (שכבות חד-חמצני) אשר משפרים עוד את היטליות.
  • (FLT:0) ייצור אדרנלי: הדפסה 3D (במיוחד פולימריזציה דו-פוטונית או התכת לייזר סלקטיבית) מאפשר שכפול מדויק של צורות היררכיות מורכבות כגון הפריסה של ספוגי זכוכית או את מערך הבליטה של זרמיית beetle exoskeletons.

חומרים מסוכנים והיררכיה

הרטיטים ההיררכיים שנמצאו בשדי עצמות וספוגים מציעים הדפסה כחולה עבור ליבות מגן קלות, חזקות ומדכאות.שני מערכות חומר מרכזיות נמצאות תחת חקירה פעילה:

  • (FLT:0 קצף מטלטל עם פורוזיות כיתה:FLT) 1 יצירת קצף עם מטענים גדולים יותר בצד החם ונקבוביות דקות יותר בצד הקר יכול לייצר אפקט "דיודה חמה", קידום זרימת חום כיווןית.
  • (FLT:0Ceramic מורכב קצף:FLT:1 סיליקון carbide (SiC) ו oxide (Al2O3) קצף מצוינים עבור מגינים עתירי זמן גבוהים ( > 1000 ° C) כי הם שומרים נוקשות והתנגדות קורוזיה.על ידי חדירה קצף עם חומר שלב (למשל, פרפין או קיבולת מתכת נמוכה) יכול להגדיל באופן דרמטי את הסגסוגת מתכתית של מתכת.

חומרים לשינוי בשלב (PCMs) בהשראת תחבורה ביולוגית

אורגניזמים ביולוגיים רבים מעבירים נוזלים באמצעות פעולה של capillary בערוצים יפים (למשל, כלי דם, xylem) integrating PCMs לתוך מבנים ⁇ בהשראת ביו-שראה יוצר מגן היברידי שיכול לספוג כמויות גדולות של חום במהלך אירוע transient (כמו שביתת לייזר או חימום מחדש) ולאחר מכן לשחרר אותו לאט לאחר מכן.המבנה ⁇ מבטיח אפילו הפצה של PCM ומונעת שיפור לאחרונה של אנרגיה תרמית של מרכז אנרגיה ממריאמדומים ל- 150.

"האתגר הגדול ביותר עם מגיני חום בהשראת ביולוגית אינו העיצוב - הוא ייצור הטבע בונה בטמפרטורה מכוננת ועם הערכה עצמית; עלינו להשיג מורכבות שוות ערך באמצעות תהליכים יעילים ומשתנים." ~ ד"ר לייה צ'ן, מחלקת חומרים, לורנס ברקלי המעבדה הלאומית.

ייצור והפקה Scalability

מעבר מהפגנת מעבדה למוצר תעשייתי דורש שיטות ייצור שיכולות לייצר משטחים בהשראת ביולוגית ומבנים פנימיים על לוחות גדולים (למשל, 1 מ"מ עבור חלליות חימום או 20 ס"מ × 20 ס"מ עבור לוחות צריח).

רול-טו-Roll Nanoimprinting

עבור מערכי מגן גמישים (סרטים מפוצצים, מתכות דקות), nanoimprinting באמצעות רולר עם תבנית מאסטר יכול תמיד לשחזר insect-wing או beetle-bump מרקמים במהירות עד 10 מ"מ /מין.טכניקה זו כבר משמשת כדי להפוך את Moth-eye אנטי-eye אנטי-reflective סרטים, והוא מותאם ליישומים ניהול תרמי.

Direct Ink Writing (DIW) 3D Printing

DIW, סוג של ייצור תוספים מבוסס-הרכב, ניתן להשתמש כדי להדפיס מבנים כריזמטיים של קרמיקה או מתכת דיוקים.החרקים מכילים חלקיקים אשר חטאים לאחר הדפסה. שיטה זו היא איטית יותר מאשר רול-to-roll אבל יכול לייצר באמת תלת-ממדי, אופטימיזציה ארכיטקטורות פנימיות כגון ספוגה.

אלקטרוסנס - Porous Nonruss

אלקטרוספינינג מייצרת ננופיבר הזדונות המחקה את ה ⁇ , מבנים גבוהים של חתך חרקים. על ידי הוספת ננופיברים קרמיקה (למשל, oxide אלומיניום) או צינורות פחמן, את הזדווג ניתן להפוך תרמי התנהגותיים מכנית ומכנית חומרים אלקטרוספונס כבר בשימוש בלבוש מגן ופילטר; להסתגל אותם עבור קשיח או מחפיר למחצה, כמו חומצות חום ונואידים, כמו תרופות.

(ב) [קרא] סקירה חדשה על אלקטרו-יסוד ניהול תרמי ב[דרוש מקור]: [ה]

יישומים אמיתיים ומקריות

מגני פיזור חום מעוררי השראה אינם רק מחוסנים מעבדה; הם מתחילים להופיע במערכות מסחריות וצבאיות.

רכבי אוויר ורכבי Hypersonic

מרכז המחקר Ames של נאס"א בחן מגן חום קרמיקה עם דפוס משטח בהשראת של beetle tortoise (FLT:0Chelymorpha משנה הריונותFLT:1) התבנית מעלה את השאילות של הקרמיקה מ-0.6 עד 0.9, כלומר בטמפרטורות החזרה (2000 מעלות צלזיוס), המגן משנה חום בצורה יעילה יותר, צמצום הפחתת העוביות של 15% חומרים טכניים נדרשים:

סוללות רכב חשמליות

Runaway in Lithium-ion סוללות הוא נושא בטיחות קריטי.B. ו-MIT חוקרים פיתחו במשותף מתחם אריזה סוללה המשתמש ב-Haerarchical אלומיניום lattice (ב בהשראת סל הפרחים ונוס) כצלחת קירור מבנית.הערוצי הנקה מגניבים ישירות סביב כל תא ו- s away חום דרך ממריצים מתכת.

שם מקור: Thenergy Weapon Shields

לייזרים צבאיים יכולים לספק מגה-וואט של אנרגיה בתוך שניות.מגן מגן עבור אופטיקה או חיישנים חייב להתפזר כי חום ללא רינג או דהינג. תוכנית "יועץ אופטי עקבי של DARPA" היא חקר מערך מיקרו-ערוצי בהשראת ביולוגית (מבוסס על מבנה השלוחה של עלים) אשר מפיץ את המריבה עם ירידה מינימלית של מערכת לייזר (Factobaation) באמצעות שיפור לייזר של 1.5Factation).

מוצרי אלקטרוניקה

סמארטפונים ומחשבים ניידים יש כיור חום כי הם לעתים קרובות מוטבע אלומיניום או סנפיר נחושת. עיצובים בהשראת ביו-שראה יכולים להפחית עובי על ידי שימוש מיקרו / מבנים היררכיים כדי לשפר את הצטברות הטבעית. Apple הגישה פטנטים עבור חומר "ממשק תרמי היררכי" המשתמש קצף פחמן ⁇ עם משטחים beetle-tole-to להתפשט חום מן המעבד עד המקרה, עדיין לא יכול להופיע בעקרון הבא של אייפון.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה, כמה מהמכשולים נותרו לפני שהגנים בהשראת הביו הפכו לנפוצים.

יציבות בתנאים קיצוניים

מבנים רבים בעלי השראה ביולוגית מבוססים על תכונות גבוהה-aspect-ratio (עמודי עמוד, צמיגים עדינים) שניתן לשקוע על ידי זרימת אוויר גבוהה, המושפעת על ידי פסולת, או מחוספס על ידי רכיבה תרמית. לדוגמה, insect nanostructures הם שבריריים להפליא; באמצעות דגימות פולימרים (כמו PDMS) לא יכול לעמוד מעל 300 גרם מדרגות כגון מתכת, אבל ציפוי חלק זה עדיין לא יכול להיות יותר.

עלויות הייצור ו- Throughput

הדפסה תלת מימדית של רטיטריטורי עדיין איטי ולעתים קרובות דורש מבני תמיכה שיש להסיר. רול-to-roll ננומ הדפסה יש גבוהה דרך שטח אבל עומק דפוס מוגבל (בדרך כלל < 5 מיקרומטר) עבור תכונות עמוקות, גבוה-aspect-ratio (שלאו שיפור משמעותי), תהליך רב-שלב נדרש.

שילוב עם מערכות קיימות

שמיכות הן לעתים רחוקות עומדות; הן חייבות לצרף רכיבים אחרים, לאטום נגד לחות, ולעתים קרובות לשרת תפקידים מבניים.משטחים מעוררי השראה ביולוגיים יכולים להפריע לדבקות דביקה או לגרום לריכוזים אם לא תוכנן בקפידה.

כיוונים עתידיים למחקר

השדה נע במהירות בכמה חזיתות:

  • (FLT:0) Machine-learning-Outology אופטימיזציה אופטימיזציה:03FLT) 1 במקום להעתיק ביולוגיה בדיוק, החוקרים משתמשים ברשתות עצביות כדי ליצור משטחים וגממות לחות הממקסמות מדדים תרמיים ספציפיים (למשל, מספר Nusselt, התנהגות תרמית ליחידה המונית).
  • (FLT:0) היברידיות פונקציונליות: FIRLT:1 [שלב קירור קורנטיבי עם שיפור זיהום אחסון חום מאוחרת במבנה מגן יחיד.לדוגמה, הליבה קרמיקה המכילה PCM ויש לו ציפוי פנים beetle-bump כי משמש גם כקרן רדיוני.
  • (FLT:0) חומרים מעוררי-הההילה: ⁇ 1) בהשראת עור ביולוגי ועצם, תרכובות של עצמו-ההההשגות שיכולות לתקן סדקים קטנים ממתח תרמי או השפעה ירחיבו באופן דרמטי את חיי המגן.מיקרו-קמפופולס המכיל סוכן ריפוי (למשל, ציסטלט או חותם מבוסס סיליקון) יכול להיות מוטבע באופן דרמטי ב- lcapsulesulesules המכיל סוכן ריפוי (למשל, כמוסות חום).
  • (FLT:0) דרכים שניתן לייצר מבנים היררכיים / ceramic:BuildFLT:1 Methods כגון הקפאת הליקה (הארכה) של מזחלות קרמיקה לייצר מבנים ⁇ תואמים הדומים שורשים עץ או מסלול העצם. כאשר בשילוב עם חדירה מתכת, המורכב יכול להשיג מוליכות גבוהה וכוח.

(ב) ויקרא (ב) ויקרא (ב"ד): "המדעים" (ב)

מסקנה

השימוש במבנים בהשראת ביולוגית עבור הניתוק חום משופר בגנים מייצג התכנסות של חומרים מדע, ייצור חדשנות ועיצוב ביומטי.ממממות חום של thorny Devil Lizard סולמות חום להזרקה חום ללחיצת משקל של זכוכית, הטבע מספק תיק עשיר של פתרונות שכבר מותאמים עבור כלי רכב, סוללות, מגן, ואלקטרוניקה מתקדמת, כמו גם מחסומים גמישים, אינטגרציה, אלקטרוניקה גבוהה יותר, אינטגרטיבית, אינטגרציה, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית אינטגרטיבית אלקטרוניקה , אינטגרטיבית , אינטגרטיבית אינטגרטיבית , , אלקטרוניקה , , , , אינטגרטיבית אינטגרטיבית , , , אינטגרטיבית , , אינטגרטיבית אינטגרטיבית , , , אינטגרטיבית , אינטגרטיבית , אינטגרטיבית אינטגרטיבית אינטגרטיבית , אינטגרטיבית , אינטגרטיבית אינטגרטיבית , אינטגרטיבית אינטגרטיבית אינטגרטיבית , אינטגרטיבית אינטגרטיבית