Näyttöteknologiaa vedestä ja ilmasta
14.06.2012
Lootuskukan hämmästyttävä kyky hylkiä vettä on jo vuosia innoittanut tutkijoita kehittämään uudenlaisia kastumattomia pintoja. Lootuksen lehdet karsastavat vettä niin paljon, että vesipisarat liukuvat vaivatta niiden pinnalta ja estävät niitä keräämästä likaa. Aalto-yliopiston johtama kansainvälinen tutkijaryhmä on luonut täysin ennennäkemättömän keinon kirjoittaa ja esittää informaatiota pintojen päällä pelkällä vedellä.
Inspiraationsa ryhmä sai juuri lootuksen lehdestä: tutkijat hyödynsivät ainutlaatuista ilmiötä, jossa vettä hylkivän kaksirakenteisen pinnan päälle jää loukkuun ohut kerros ilmaa.
Jotta pinnalla voisi olla lootuskukan kaltaisia äärimmäisen vettä hylkiviä ominaisuuksia, sen tulee olla superhydrofobinen: mikroskooppisten pintarakenteiden täytyy estää pinnan täydellinen kastuminen jättämällä ohut kerros ilmaa veden ja pinnan väliin. Kun pinta upotetaan kokonaan veteen, sitä jää kauttaaltaan peittämään erittäin ohut ilmakerros.
Aalto-yliopiston akatemiatutkija Robin Ras on johtanut Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen, Cambridgen yliopiston ja Nokia Research Center Cambridgen yhteistä tutkijaryhmää, joka on valmistanut kahdesta eri tason rakenteesta koostuvia pintoja: tutkijat kasvattivat kymmenen mikrometrin kokoisten mikropylväiden pinnalle pieniä nanosäikeitä.
Kaksitasoisella pinnalla ilmakerros voi olla kahdessa eri tilassa vastaten pintarakenteen kahta mittakaavaa. Tutkijat saivat selville, että ilmakerroksen tilaa voi vaihtaa edestakaisin kuin katkaisimesta luomalla veteen joko yli- tai alipainetta.
– Tilasta toiseen vaihtamiseen tarvitaan vain minimaalinen määrä energiaa, mikä tarkoittaa, että pinnasta saa bistabiilin järjestelmän, mikä on puolestaan olennainen piirre esimerkiksi informaatiota tallentavissa laitteissa, Robin Ras kertoo.
Erityisen kiinnostavan järjestelmästä tekee kuitenkin tilojen välinen vahva optinen kontrasti, joka johtuu veden ja ilman välisen rajapinnan epätasaisuuden eroista.
– Optisten ominaisuuksiensa johdosta pinta on myös bistabiili heijastava näyttö.
Transitiomekanismi muuttaa vain ilmakerroksen muotoa – kiinteälle pinnalle itselleen ei tapahdu mitään. Ryhmä havainnollisti tätä piirtämällä muotoja veteen upotetulle pinnalle hyödyntäen ilmakerroksen olotilojen välistä kontrastia. Kun pinta nostetaan pois vedestä, se on täysin kuiva eikä kuviosta jää mitään jälkiä.
Ilmakerroksen manipuloinnissa käytettävän tekniikan kehitti Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen tohtoriopiskelija Tuukka Verho. Hän osoitti, että paikallinen ilmakerroksen tilan vaihdos voidaan toteuttaa hyvinkin tarkasti, ikään kuin pikseli pikseliltä.
– Olemme ottaneet ensi askeleen ei-kastuvien pintojen hyödyntämisessä informaation tallentamiseen tai jopa käsittelyyn, kertoo teknillisen fysiikan laitoksen akatemiaprofessori Olli Ikkala. Tähän asti lootuksen lehteä jäljitteleviä pintoja on kehitetty lähinnä itsepuhdistaviin, jäätymistä estäviin tai virtausvastusta vähentäviin sovelluksiin. Tutkimuksemme on uraauurtava esimerkki siitä, miten luonto opettaa materiaalitieteilijöille toiminnallisten materiaalien valmistamista.
Artikkeli Reversible switching between superhydrophobic states on a hierarchically structured surface on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America PNAS -journaalissa. Artikkeli verkossa (pnas.org)
Lisätietoja:
Robin Ras
robin.ras [at] aalto [dot] fi
puh. 09 470 23169
Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu
Teknillisen fysiikan laitos
