Biomimetica: lipicioasa ca o caracatita sau neteda ca o frunza de lotus? Teach article

Tradus de Bold Adina, Mihalcea Cosmina, Serban Maria, Smeu Anita, Gabriela Badea, Colegiul National Ion Luca Caragiale-Bucuresti. Astrid Wonisch, Margit Delefant si Marlene Rau prezinta doua activitati elaborate de proiectul austriac “Stiintele naturii si tehnica palpabila” pentru a vedea…

In 2004, Alice Pietsch de la Universitatea Educarii Profesorilor Styria, Austria, a fost inspirata de o simpla, dar foarte vizibila demonstratie la muzeul de stiinta. Un profesor pensionar folosea un burduf pentru a pompa aer in plamanii unei oi, umflandu-i si dezumflandu-i ritmat. Aglomeratia formata in jurul lui era mai mare decat cea din jurul unor exponate high-tech –ceea ce a impulsionat-o pe Alice sa creeze un muzeu interactiv de stiinta.

In 2008, visul ei a devenit realitate. Peste 5 luni, elevi de toate varstele de la Styria au elaborat 50 de activitati diferite pentru ceilalti elevi. Experimentul “Stiintele naturii si tehnologia palpabila” a ocupat un loc la Casa stiintei din Graz, Austria, unde studentii si profesorii lor au ajutat vizitatorii cu fiecare activitate. A fost un mare succes.

Majoritatea activitatilor din experiment sunt potrivite si pentru stiinta in sala de clasa; aici prezentam doua activitati despre biomimetica- aplicatia principiilor din natura pentru inginerie si tehnologie. Velcro, care imita semintele incovoiate de brusture si carena care imita pielea groasa a delfinilor sunt exemple comune. Activitatile urmatoare investigheaza absorbtia ventuzelor si superhidrofobia, amandoua observabile in natura. Activitatile au fost elaborate pentru elevii de la scoala secundara (varsta 10-15), dar poate fi usor adaptata pentru studenti de practic orice varsta si sunt o buna ocazie pentru integrarea fizicii, chimiei si biologiei. Depinzand de nivelul de detaliu la care se ajunge, activitatile pot dura oricat, de la cinci minute, pana la mai mult de o ora.

Intreaga colectie a activitatilor din experiment este disponibila la Birgit Muhr (birgit.muhr@phst.at) printata in germana, pentru 19 € plus timbru.

Aderenta pe suprafete plate: presiunea negativa

Ventuzele de uz casnic au fost inspirate de talpile broastelor de copaci si de tentaculele caracatitelor, a caror putere de aderenta era deja cunoscuta de grecii antici.

Noi folosim aceste ventuze pe suprafete plate- pentru a atasa carlige pe gresia din baie sau pentru a face aparatele din bucatarie mai stabile, si pe saltelele de cauciuc de la dus sau pe sagetile de jucarie. Dar de ce se lipesc?

Daca te uiti la partea lipicoasa de aproape, o sa poti observa ca este putin curbata. Ar putea fi aceasta curbura importanta pentru puterea de adeziune a ventuzei? Si de ce este nevoie sa uzi ventuza inainte folosirii? Hai sa investigam.

Materiale

• 4 ventuze (fii sigur ca poti sa atasezi un snur la ele)
• Un mic fierastrau pentru traforaj

• Un stalp de 50 de cm, in jur de 3-4 cm diametru (studentii trebuie sa fie capabili sa-l invaluie cu degetele lor)
• Patru bucati de 50 cm de sfoara tare
• O foarfeca
• O placa de plastic (in jur de 1 x 1m)
• Un marker permanent

Procedura

1. Folosind fierastraul pentru traforaj, faceti patru santuri echidistante in stalp.
2. Legati o bucata de sfoara pe cele patru sectiuni.
3. Fiti siguri ca cele patru bucati de sfoara au exact aceeasi lungime.

4. Puneti placa de plastic pe podea si folositi markerul permanent pentru a desena patru cercuri pentru ventuze in linie dreapta. Pe cealalta parte a liniei desenati o urma
5. Apasati ventuzele in cele patru cercuri.
6. Repetati experimentul, udand ventuzele inainte de a le lipi pe placa de plastic
7. Stati pe urma piciorului si incercati sa trageti ventuzele de pe plastic apasand suportul vertical.
8. Ce se intampla cu curbura ventuzelor cand ele sunt lipite de placa de plastic?

Discutie

Atunci cand apasati ventuza pe marginea de plastic, produceti reducerea curburii ventuzei, reducand astfel spatiul dintre ventuza si suprafata si facand astfel incat o parte din aerul dintre ventuza si suprafata sa iasa. Atunci cand nu mai apasati, ventuza de plastic are tendinta sa revina la forma sa curbata initiala. Volumul din cavitatea dintre ventuza si margine creste din nou, dar acum cantitatea de aer din interior este mai mica, si deci presiunea interioara este mai mica. Presiunea atmosferica mai mare in exterior este aceea care mentine ventuza lipita pe suprafata.

Poti sa calculezi forta de aderenta a unei ventuze astfel:

F=AP, unde F este forta, A este aria si P este presiunea.

Aria va fi πr² unde r este raza ventuzei. Presiunea din cavitatea aflata intre ventuza si plansa este neglijabila cand este comparata cu presiunea atmosferica care este de aproximativ 100.000 Pa. Deci:

F = πr² (100 000 Pa)

Timpul care ii este necesar ventuzei sa se dezlipeasca singura (fara a adauga alte forte) depinde de cat de poroasa si cat de plata sunt marginea ventuzei si suprafata de dedesubtul acesteia, aceasta determinand cat de repede revine aerul inauntru si echilibreaza presiunea.

Apa, saliva si alte lichide sigileaza foarte bine ventuza facadu-o etansa si asigurand intrarea aerului mai greu inauntru. Drept urmare, ai nevoie de mai multa putere pentru a trage ventuzele daca le-ai umezit inainte de a le aplica pe o suprafata.

Efectele auto-curatarii : hidrofobia in natura

Natura are cativa obsedati de curatenie: gandacii de balegar ies curati din balegarul de vaca, rar gasesti un fluture sau o libelula murdara, iar unele plante sunt foarte pricepute la a elimina murdaria de pe ele. Lotusul Indian, de exemplu, creste in ape mlastinoase si totusi murdaria nu se lipeste de frunzele lui. De fapt in budism lotusul este simbolul puritatii. Poti sa gasesti acest efect al lotusului si aproape de casa ta . Frunzele si florile de caltunas arata atat de curate incat ai putea sa le mananci fara sa le mai speli (clateste-le totusi pentru orice eventualitate). Oare cum reusesc aceasta fara sapun?

Oamenii au reprodus acest efect de auto-curatare in multe scopuri cum ar fi auto-curatarea plasticelor, a lacurilor pentru tigle, a geamurilor, ceramicii, lemnului, lacurilor pentru masini si vopselei pentru fatade. De asemenea se pot crea si haine rezistente la murdarie prin impregnarea lor cu un spray special.

Cum functioneaza? Hai sa aflam.

Materiale

• Parti din diferite plante cu proprietati de auto-curatare cum ar fi frunzele de caltunas (Tropaelum majus), frunzele de lotus (Nelumbo nucifera), de varza (Brassica oleracea), si frunzele de lalea (tulippa spp.)
• Unele parti ale plantelor cu frunze hidrofile cum sunt frunzele comune de fag (Fagus Sylvatica) sau magnolia (Magnolia Grandiflora)
• Apa, miere lichida si/sau lipici lichid
• O pipeta sau un bec pasteur si niste linguri mici
• Ketchup, scortisoara si praf de curry
• Ziare, rola de prosop de hartie si textile
• Spray pentru impregnare (de exemplu pentru rezistenta la apa a pielii de caprioara), vopsea de fatada cu auto-curatare, lac pentru lemn si sticla
• Optional: o tigla de acoperis sigilata

Procedura

1. Uda plantele care au auto-curatare cu apa, cu miere sau lipici si acopera-le cu ketchup, scortisoara sau praf de curry (pentru a simula murdaria). Ce observi ?
2. Repeta experimentul cu frunzele hidrofile. Ce observi?
3. Acum observa proprietatile de auto-curatare a materialelor artificiale. Sprayuri pentru textile, rola de hartie si ziar cu diferite tratamente cu sigilare nano (exemplu: spray impregnant vopsea sau strat de acoperire nano). Compara efectul aceluiasi tratament pe diferite materiale sau diferite tratamente pe acelasi tip de material.
4. Folosestele pe acestea si alte materiale cu nano-straturi (exemplu: dale) pentru a repeta experimental, udandu-le si uscandu-le. Ce observi?

Discutie

Daca picuri apa sau miere pe o frunza de lotus, se va scurge foarte repede.O privire mai atenta sub un microscop electronic iti arata de ce: mari cantitati de ceara subtire acopera umfaturile de la suprafata frunzei. Aceste umflaturi au aproximativ 10-20 μm inaltime si 10-15 μm distanta una fata de cealalta.

Cum ajuta aceasta structura frunza de lotus sa ramana curata? In primul rand suprafata frunzei de lotus este hidrofoba (respinge apa). Hidrofobia unei suprafete poate fi cuantificata ca si unghiul de contact dintre suprafata si picatura de apa: cu cat unghiul de contact este mai mare, cu atat suprafata este mai hidrofila (vezi imaginea din dreapta). Suprafetele cu un unghi de contact mai mic de 90° sunt numite hidrofile (iubitoare de apa), cele cu un unghi de contact mai mare de 90°, sunt hidrofobe. Unele plante care sunt cunoscute ca super-hidrofobe ating unghiuri de contact de 160°, cu doar 2-3% din suprafata picaturii in contact cu suprafata frunzei. Totusi suprafata frunzei de lotus nu este doar super-hidrofobica ci si acoperita cu umflaturi cerate cum este mentionat mai sus. Acestea reduc suplimentar suprafata de contact a apei picurate cu rezultatul ca picatura abia daca atinge frunza (doar 0.6% suprafata de contact) si se scurge usor.

Am vazut cum se scurge apa, dar cum scapa frunzele de particulele de murdarie ? Plantele sunt expuse la o varietate mare de poluanti, majoritatea anorganici (praf sau funingine) desi unii au origini biologice (exemplu: spori de ciuperci, conidii, picaturi de miere sau alge). Pe frunzele care nu se impregneaza cum sunt de exemplu cele de lotus, nu este redusa doar aderenta apei – murdaria este pur si simplu spalata de apa. Acest lucru nu este atat de evident precum pare. Exista 2 feluri de particule de murdarie– cele hidrofile si cele hidrofobe. Particulele hidrofile cum ar fi de exemplu namolul sunt absorbite in picaturile de apa si nu pot scapa. O urma este vizibila acolo unde apa a spalat particulele de pe frunza.

Dar cum ramane cu particulele hidrofobe? Te poti astepta ca ele sa ramana lipite de suprafata hidrofoba a frunzei, dar de fapt o picatura de apa le va elimina si pe acestea. Cum se intampla acest lucru? Particulele ating doar varfurile din afara structurii de ceara si intrucat suprafata de contact este mica, tot asa sunt si fortele de adeziune dintre particule si frunza. Fortele sunt atat de slabe incat si pana si micile forte de adeziune dintre particula rezistenta la apa si cea de apa sunt mai puternice. Deci spre deosebire de particula hidrofila care este cuprinsa intr-o picatura, particula hidrofoba se lipeste de suprafata picaturii, efectul final este acelasi: planta este curatata.

Superhidrofobia nu se limiteaza doar la plantele de lotus: alte plante au proprietati de auto-curatare datorita stratului de par care le acopera frunzele, aripile fluturilor au firisoare subtiri care directioneaza picaturile de ploaie de pe corpul insectei, indiferent ca aripa este ridicata sau nu, si cuticula insectelor de balegar are forme geometrice in relief care le face hidrofobe.

Care este avantajul acestor suprafete auto-curatatoare? Pentru plantele sedentare, este un mod de a se proteja de micro-organisme, cum ar fi cipercile, bacteriile sau algele. Majoritatea plantelor lupta impotriva acestor inamici chimici cu un al doilea metabolism, dar prevenirea instalarii lor initiale este chiar mai eficienta. In plus, daca frunzele sunt acoperite de murdarie, se reduce suprafata disponibila pentru fotosinteza. Aripile auto-curatatoare ale fluturelui au avantajul de a nu retine apa si de a nu deveni grele, ceea ce ar impiedica insecta sa zboare.

Oamenii au dezvoltat mai multe tipuri de tehnologii care folosesc aceste efecte hidrofobe. Spray-urile pentru impregnare, de exemplu, acopera materialul cu un strat de ceara care il face hidrofob. Cateva pelicule de culori merg chiar mai departe, formand o usoara zona de protectie chiar si cand se usuca. Aceste zone de protectie sunt hidrofuge ca si structurile de ceara de lotus, cu rezultatul ca suprafata de pictat devine superhidrofoba.

Mulțumiri

Cele două activităţi din acest articol au fost realizate în cadrul unui atelier de lucru condus de Astrid Wonisch pentru studenţii din Graz Karl-Franzens-Universität care erau pregatiti pentru a deveni profesori de biologie, şi incluse în expoziţia 2008 Naturwissenschaft und Technik Zum Angreifen.

Studentii la biologie Steffen Böhm şi Karin Edlinger au lucrat impreuna cu elevi combinati din clasa a 7-a şi clasa a 8-a (în vârstă de 17-19 ani) la clasa de biomimetica de la BG / BRG Petersgasse, Graz, o şcoală secundară, cu concentrare asupra stiintei si matematicii, şi cu Renate Rovan şi Ruth Unger de la şcoala de profesori de biologie, pe „Adeziunea pe suprafete plane: presiune negativă”.

Studentii la biologie Anna Freudenschuss şi Fuchs Ingo au lucrat împreună cu elevi de la o clasa a 4-a (cu vârste între 14-15 ani), la clasa de gimnaziu BG / BrG Fürstenfeld, Fürstenfeld, pe „Efectele de auto-curatare: hidrofobia în natură” .

Download

Download this article as a PDF