Materiały inspirowane naturą wg prof. Bartosza Handkego: „oko ćmy” – struktury antyrefleksyjne

Flora i fauna, które ewoluowały przez miliony lat, stanowią gotowe wzorce do naśladowania. Pomysły zaczerpnięte ze środowiska naturalnego są obecne w różnych dziedzinach ludzkiej działalności. Materiały inspirowane naturą to nie tylko kolejny trend technologiczny, ale sposób myślenia o projektowaniu i tworzeniu materiałów. To podejście czerpie z mądrości natury, aby tworzyć materiały, które są bardziej wytrzymałe, lżejsze, funkcjonalne i zrównoważone.

Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej, opracowując zaawansowane technologie, korzystają z obserwacji rozwiązań stosowanych przez rośliny i zwierzęta, czerpią pełnymi garściami z bogactwa przyrody. Wykorzystują te sprawdzone mechanizmy, które natura testowała i udoskonalała. Pracownicy naukowi AGH inspirując się naturą, szukają zrównoważonych i przyjaznych dla środowiska rozwiązań. Naśladując skomplikowane procesy fotosyntezy, opracowują wydajne systemy konwersji energii. Korzystając z niezwykłego stosunku wytrzymałości do masy jedwabiu pajęczego, konstruują lekkie, a zarazem trwałe materiały. I rozumiejąc właściwości samoleczące niektórych organizmów, tworzą materiały, które potrafią same się naprawiać.

Na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH uczeni w licznych specjalistycznych laboratoriach korzystając zbogatej infrastruktury badawczej, skrupulatnie badają skomplikowane mechanizmy natury i starając się przełożyć je na najnowocześniejsze technologie. To podejście, znane jako inżynieria biomimetyczna, przyniosło niezwykłe postępy w różnych dziedzinach, od nauki o materiałach i medycyny po architekturę i robotykę. Jak trafnie stwierdził jeden z badaczy AGH:

Naukowcy na całym świecie przyglądają się strukturze i właściwościom naturalnych substancji, by przenosić te rozwiązania do współczesnej technologii. Poniżej przedstawiamy kilka fascynujących przykładów materiałów inspirowanych naturą.

Jedwab pająków

Pajęcza nić jest jednym z najbardziej wytrzymałych materiałów znanych człowiekowi. Badacze starają się naśladować jej strukturę, by tworzyć niezwykle wytrzymałe i jednocześnie lekkie włókna. Te syntetyczne odpowiedniki mogą znaleźć zastosowanie w medycynie, przemyśle tekstylnym i zbrojeniowym.

Muszle morskie

Muszle morskie są przykładem naturalnych kompozytów, które łączą w sobie twardość i odporność na pękanie. Zainspirowani ich budową, naukowcy opracowali nowe materiały kompozytowe, które mogą być stosowane w budownictwie i przemyśle motoryzacyjnym.

Liście lotosu

Liście lotosu posiadają właściwości samoczyszczące dzięki mikrostrukturom na ich powierzchni, które odpychają wodę i brud. Te właściwości znalazły zastosowanie w tworzeniu materiałów hydrofobowych, które są wykorzystywane do produkcji powłok ochronnych i farb.

Kości

Struktura kości, lekka a jednocześnie bardzo wytrzymała, stała się inspiracją do stworzenia nowych materiałów o podobnych właściwościach mechanicznych. Takie materiały mogą być wykorzystywane w medycynie, np. do produkcji implantów ortopedycznych oraz w inżynierii lotniczej.

Skóra rekina

Powierzchnia skóry rekina ma unikalną strukturę, która redukuje opór wody. Wzorując się na tym, naukowcy opracowali powłoki dla statków i samolotów, które zmniejszają tarcie, a tym samym poprawiają efektywność paliwową.

Skrzydła motyli

Kolory skrzydeł motyli są wynikiem strukturalnych cech, a nie pigmentów. Naśladując te struktury, opracowano materiały, które mogą zmieniać kolor w zależności od kąta padania światła, co ma potencjał w rozwoju nowych ekranów i czujników optycznych.

Materiały inspirowane naturą znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, od medycyny, przez przemysł, aż po sztukę. Biomimetyka otwiera nowe możliwości przed inżynierami i projektantami, umożliwiając tworzenie bardziej efektywnych, trwałych i przyjaznych dla środowiska rozwiązań. Przyroda, która doskonaliła swoje rozwiązania przez miliardy lat, jest niewyczerpanym źródłem inspiracji. Dzięki badaniom i współczesnym technologiom możemy przenieść te doskonałe rozwiązania do naszego codziennego życia, tworząc materiały przyszłości.

W Biuletynie AGH ukazał się poniższy artykuł dra hab. Bartosza Handkego, prof. AGH z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramik, którego również zainspirowała natura.

Wiedzę z tej interesującej problematyki pogłębić można, studiując na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH. Zapraszamy wszystkich kandydatów do odkrywania fascynującego świata inżynierii materiałowej. Tutaj nie tylko zdobywacie wiedzę, ale również uczestniczycie w tworzeniu przyszłości.

W tej chwili trwa rekrutacja na:

Studia I stopnia na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH

---

 

„Oko ćmy” – struktury antyrefleksyjne 

dr hab. Bartosz Handke, prof. AGH, Biuletyn AGH nr 194 z 2024 r. 

Niezależnie od zaawansowanych technologii materiałowych, jakimi dysponujemy, natura nadal pozostaje naszym mistrzem, inspirując nowymi rozwiązaniami. Przyglądając się budowie oka ćmy – motyla nocnego, mikroskopia elektronowa (rys. 1) ukazuje nam złożoną segmentową strukturę typową dla owadziego oka, lecz również znacznie mniejszą w skali – nanostrukturę tysięcy drobnych wypustek pokrywającą każdy z segmentów. Ta formacja odpowiedzialna jest za zwiększenie czułości owadziego oka na śladowe ilości światła w zakresie widzialnym.

Istotą działania jest, aby światło nie ulegało refleksyjnemu odbiciu od płaskiej powierzchni, lecz zostało załamane tak, by z jak największą intensywnością uległo transmisji do wnętrza oka. Jest to związane z ciągłą, a nie skokową, zmianą współczynnika załamania światła (rys. 2) na granicy ośrodków powietrze/powierzchnia oka. Efekt ten można sobie wyobrazić tak, że każdy element nanostruktury, działając na podobnej zasadzie jak soczewka, załamuje i skupia światło, a to co uległo odbiciu od pojedynczej wypustki dzięki wielokrotnemu odbiciu pomiędzy nanostrukturami, przekierowywane jest do podłoża. W rezultacie tylko niewielki procent intensywności pozostaje odbity w kierunku przeciwnym.

Zastosowanie rozwiązania podobnego do budowy oka ćmy jest niezmiernie pożądane wszędzie tam, gdzie zależy nam na zwiększeniu intensywności transmisji światła widzialnego. Pokrywając podobną nanostrukturą ogniwa słoneczne, zwiększamy ich wydajność. Wszelkiego rodzaju wyświetlacze i monitory pokryte podobną warstwą antyrefleksyjną zapewnią wyraźniejszy obraz i brak męczących i zakłócających odbić ze źródeł zewnętrznych. 

Istnieją już rozwiązania komercyjne wykorzystujące efekt „oka ćmy”, bazujące na technologii typu „top-down”. W skrócie szeroką gammę tego typu rozwiązań można opisać jako proces formowania nanostruktury z materiału makroskopowego, a więc poruszając się na skali wielkości „z góry na dół”. Najczęściej stosowanymi technikami jest trawienie podłoża, na przykład krzemu, które wcześniej zostało pokryte samoorganizującymi się nanosferami polimerowymi lub stosując litografię laserową i warstwy fotorezystu. Tego typu podejście wymaga wielu etapów, począwszy od przygotowania podłoża i nanostruktur, które stanowią jedynie formę, a skończywszy na etapie trawienia chemicznego bądź fizycznego z użyciem plazmy.

Jednakże na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki prowadzimy badania nad innym podejściem technologicznym, które można analogicznie opisać jako metodę „bottom-up”, w której z pojedynczych molekuł tworzymy nanostruktury na powierzchni. Innymi słowy, idąc po skali wielkości „z dołu do góry”.

Dzięki wsparciu programu IDUB wykorzystując technikę fizycznego osadzania z fazy gazowej, nanosimy cienkie kilkudziesięcio- nanometrowe warstwy krzemoorganiczne (silseskwioksanowe) na pod łoża krzemowe bądź szklane. Kolejnym etapem jest wyżarzanie, które wymusza samoorganizację molekuł w warstwie, co prowadzi do powstania nanostruktur zbliżonych do tych obserwowanych w oku ćmy.

Rezultat możemy obserwować (rys. 3) pod mikroskopem sił atomowych (AFM) oraz przekonać się o antyrefleksyjnej skuteczności na własne oczy. Samoistne formowanie się nanostruktur przypomina efekt zachodzący przy formowaniu się struktur bazaltowych w kanionie Studlagil (Islandia), którego forma jest skutkiem gwałtownego chłodzenia lawy bazaltowej w morskiej wodzie i powstanie silnych spękań prostopadle do powierzchni stygnięcia.

Ponadto warstwowa natura nanostruktur wymusza specyficzny, selektywny sposób odparowywania z powierzchni, pozostawiając wolne przestrzenie między pojedynczymi „słupami”. W efekcie warstwa obserwowana w zależności od kąta patrzenia staje się matowa (rys. 3a) lub wydawać się zdaje znacznie ciemniejsza (rys. 3b), mimo iż sam materiał warstwy jest całkowicie przeźroczysty dla światła widzialnego. 

Zastosowanie technologii inspirowanych budową oka ćmy otwiera drogę do wielu innowacyjnych rozwiązań zwiększających efektywność różnych urządzeń, od paneli słonecznych po wyświetlacze. Dążenie do lepszego zrozumienia natury pozwala nam wykorzystać jej wzorce do poprawy technologii i życia codziennego. Dlatego też kontynuacja badań w tym kierunku przyniesie pewne i trwałe korzyści dla społeczeństwa i środowiska. 

Źródło:
Biuletyn AGH nr 194 z 2024 r. 
Prof. AGH Bartosz Handke – publikacje