Магнитные копии частичек пыльцы обеспечивают мультимодальную адгезию

Ученые создали точные магнитные копии зерен пыльцы подсолнуха с помощью химического влажного наслоения, используя высоко конформные покрытия оксида железа.

Копии обладают свойствами естественной адгезии, унаследованными от шипастых частиц пыльцы, и демонстрируют магнетизм, способствующий адгезии к поверхности.

Используя преимущество формы естественных зерен пыльцы и ненатуральную окисную химию, работа обеспечивает уникальную настраиваемой биодоступной мультимодальной адгезии. Шипы, унаследованные от пыльцы подсолнуха, обеспечивают адгезию короткого диапазона — на наноразмерных расстояниях — в то время как окисная химия обеспечивает режим адгезии, который работает на более длинных дистанциях, до одного миллиметра.

Результаты опубликованы в издании Chemistry of Materials.

«Зерна пыльцы — недорогие и жизнеспособные шаблоны, доступные в большом объеме», сообщил профессор Кен Сэндхейдж из Технологического института Джорджии. „Поскольку зерна пыльцы по своей природе уже созданы для прилипания, мы решили, что будет любопытно попытаться усилить это естественное поведение с помощью дополнительного, неестественного режима прилипания“.

Сэндхейдж и аспирант Брендон Гудвин начали с исследования микроскопических форм разных типов пыльцы, включая амброзию, орех-пекан и одуванчик, прежде чем остановиться на пыльце подсолнуха (Helianthus annuus). Зерна пыльцы подсолнуха почти сферической формы, но покрыты шипами, которые спутываются с волосками на лапках пчел или удерживаются на поверхностях благодаря Ван-дер-Ваальсовым силам на нанометровых расстояниях, пояснил ученый.

Исследователи помыли частицы пыльцы с хлороформом, метанолом, соляной кислотой и водой, чтобы очистить поверхности и выставить гидроксильные группы для химического покрытия. Затем они применили оксид железа с помощью автоматического послойного поверхностного золь-гель процесса, который был разработан ранее для покрытия диатомных оболочек из кварца. Реакция предшественника оксида железа с гидроксильными группами на поверхности частиц пыльцы привела к образованию высоко-конформных покрытий.

Процесс золь-гель использует переменные циклы подвергания раствору предшественника изопропоксида железа (III) и воды для нанесения 30 тонких слоев гематита (Fe2O3) на пыльцу. Нагрев частиц до 600 градусов по Цельсию сжигает органику и кристаллизует оксид железа, оставляя полые трехмерные частицы. Затем оболочки снова нагреваются в кислородной контролируемой среде для преобразования гематита в магнетит (Fe3O4), обладающий более высоким магнетизмом.

«Мы исследовали отдельные зерна пыльцы до и после сжигания, и могли заметить, что особенности формы и поверхности хорошо сохранились», сказал Сэндхейдж. „Конформная природа процесса покрытия позволила нам производить керамические точные копии, которые сохранили даже мельчайшие особенности поверхности первичных зерен пыльцы“.

Свойства адгезии магнитных частиц пыльцеобразной формы проанализировали аспирант Исмаэл Гомес и профессор Карсон Мередит, которые с помощью наконечника атомно-силового микроскопа, чтобы напечатать точные копии на множестве поверхностей, а затем измерили силу, требуемую для их удаления с тех же поверхностей. Ученые исследовали адгезию копий пыльцы к поливинильному алкоголю, поливинильному ацетату, пенопласту, кремнию, никелю и неодиму-железу-бору, и сравнили адгезивные свойства с таковыми для оригинальных зерен пыльцы.

«Мы выяснили, что добились мультимодальной адгезии за счет сдерживания притяжения Ван-дер-Ваальсовых сил в коротком диапазоне, как это бывает у оригинальной пыльцы, и достигли магнитной адгезии», сказал Сэндхейдж.

Послойная природа процесса нанесения покрытия позволяет контролировать количество магнитного материала и магнитные свойства копий пыльцы. Исследователи захотели применить сразу 30 слоев для достижения существенного короткодиапазонного магнитного поведения во время сдерживания четких скачков, обеспечивающих короткодиапазонные Ван-дер-Ваальсовы силы.

«Репродуцибельное производство больших объемов столь дешевых микрочастиц, обладающих особенностями высокоаспектных поверхностей, достаточно проблематично с использованием синтетических методов», сказал Сэндхейдж.

В дальнейшем ученые намерены исследовать и другие оксиды, а также разнообразие форм, доступных среди частиц пыльцы.

«Теперь, когда нам известно, как производить точные копии частиц, мы имеем значительно большее поле для исследований адгезии», добавил Сэндхейдж. „За счет комбинации формы пыльцы, синтетической химии и термической обработки мы сможем существенно расширить свойства этих копий“.

22.11.2013