يمكن أن يحمل السيكادا سر تنظيف الأسطح ذاتيًا – دراسة جديدة

الطبيعة تلهم العلماء في كل وقت. لا تزال بعض الأفكار قيد البحث ، مثل بدلات الغوص فائقة الدفء المستوحاة من سمور. لكن البعض الآخر هم بالفعل جزء من حياة الإنسان ، مثل الفيلكرو (استنادًا إلى نتوءات الأرقطيون) وقطار الرصاص الياباني (على غرار منقار صياد السمك الضيق الطويل).

ألهمت السيكادا بحث فريقي الأخير حول الأسطح ذاتية التنظيف.

إن الحفاظ على زجاج نوافذ سيارتك نظيفًا يمكن أن يبدو وكأنه معركة لا تنتهي ضد قوى الأوساخ والغبار. لكن الحشرات مثل السيكادا لديها خدعة رائعة في أكمامها تحافظ على أجنحتها خالية من البقع ، دون أن تبذل الحشرة أي جهد. وقد يحمل المفتاح ليوفر علينا متاعب التنظيف المستمر.

بحثت دراسة فريقي في الآلية الكامنة وراء عملية التنظيف الذاتي هذه.

بفضل الملمس الغريب لأجنحة الزيز ، يتكثف ندى الصباح عليها وينمو تدريجيًا إلى قطرات ماء صغيرة. تزيل هذه القطرات جزيئات الغبار والكائنات الحية الدقيقة عندما تتصادم مع بعضها البعض أو تتدحرج على أجنحة الحشرة.

السيكادا ليست الحشرات الوحيدة التي طورت أجسامًا ذاتية التنظيف. العديد من الفراشات لها أجنحة يمكنها تنظيف نفسها. كما تستخدم كائنات أخرى مثل الأبراص وأوراق نباتية معينة ، مثل اللوتس والأرز ، حركة القطيرات للحفاظ على نفسها خالية من الغبار كما تفعل السيكادا. تساعد هذه القطرات المتحركة أيضًا في إزالة البكتيريا ، وبالتالي تقليل خطر الإصابة بالعدوى.

إذا انسكب سائل على معظم الأسطح (فكر في كوب مقلوب من القهوة) فسوف ينتشر ببساطة في جميع أنحاء المنطقة ويبقى هناك.

لكن قطرات الندى تتصرف بشكل مختلف على أجنحة الزيز بسبب شيء يسميه المهندسون “مقاومة الماء الفائقة” ، أو مقاومة الماء الشديدة. يحتوي سطح أجنحة السيكادا على ترتيب معقد لآلاف المخاريط الصغيرة المغطاة بالشمع. تأخذ قطرات الماء على الجناح شكلًا يشبه حبة لأنها تريد تقليل التلامس مع سطح الجناح. ويرجع ذلك إلى الشمع الذي يصد الماء والأطراف المخروطية التي تمنع قطرات الماء الكروية من اختراق غشاء الجناح.

سيبدو هذا تمامًا مثل بالون منفوخ بالكامل يوضع فوق سرير من المسامير. لن تنفجر لأن الضغط موزع على جميع الأظافر. في حالة القطرات ، تسهل الأقماع المغطاة بالشمع حركة القطرات بدون مجهود على أجنحة الزيز.

قفز ودحرجة قطرات الماء

أظهرت الدراسات السابقة الجاذبية ، مما يجعل القطرات الأكبر تتدحرج إلى أسفل أجنحة السيكادا الشمعية ، وتلتقط العديد من الملوثات أثناء رحلتها.

ومع ذلك ، حتى الآن ، كيف أن القطرات الأصغر ، التي هي أصغر من أن تسحبها الجاذبية ، لا تزال بعيدة المنال. وجدنا أن القطيرات الصغيرة ، بمرور الوقت ، سوف تندمج مع جيرانها.

القطرة المدمجة تقفز عن السطح بدلاً من التدحرج. أثناء القفزة ، ستتخذ القطرة شكلاً يشبه منطاد الهواء الساخن على وشك الإقلاع من الأرض. كشفت دراستنا أن شكل منطاد الهواء الساخن هذا ضروري لتمكين القطرات من حمل الأوساخ بعيدًا عن السطح.

قفز قطرات الماء

اتضح أن التوتر السطحي لقطيرة السائل هو الذي يلتقط الأوساخ بينما القطرة في شكل منطاد الهواء الساخن. التوتر السطحي هو ميل القطرات التي تتعرض للهواء للاحتفاظ بشكل كروي. عندما تشكل القطرة شكل منطاد الهواء الساخن مع وجود أوساخ تحتها ، ستحاول إعادة تشكيلها على شكل كرة. في هذه العملية ، يسحب الأوساخ عن السطح عن غير قصد.

لاحظنا أيضًا أن قطرات الماء لا يمكنها إزالة جميع الملوثات بهذه الطريقة. على سبيل المثال ، على أجنحة الزيز ، قد تكون قطرات الماء قادرة على إزالة جزيئات الرمل الصغيرة ولكن ليس تلك المصنوعة من السخام.

وجدنا أيضًا أنه بغض النظر عما إذا كانت القطرات تقفز أو تتدحرج ، فإن آلية طرد الملوثات من السطح تظل كما هي. عندما تتدحرج القطرة الأكبر عبر الأوساخ ، فإن سطحها سوف يتشوه. ستحاول القطرة الاحتفاظ بشكلها الكروي الطبيعي ، والذي سيؤدي ، كما هو الحال في القطرات المدمجة ، إلى سحب الأوساخ عن السطح.

الهندسة الطبيعية

في المستقبل ، يمكن للمهندسين دمج ما تعلمناه عن أجنحة الزيز في تصميمات المنتجات ، وقد لا نحتاج إلى رش الماء ومسح زجاج النوافذ والأسطح الأخرى بعد الآن لأنهم سينظفون أنفسهم.

تخيل نوافذ ناطحة سحاب وألواح شمسية وعدسات كاميرات مراقبة يمكنها تنظيف نفسها. يمكن أن يساعد الطلاء شديد المقاومة للماء أيضًا في منع تكوين الصقيع على الأسطح المختلفة في الشتاء – مثل الزجاج الأمامي لسيارتك.

ستكون هذه إضافة جيدة إلى قائمة الترقيات الوشيكة لبنيتنا التحتية الحالية جنبًا إلى جنب مع الألواح الشمسية الفعالة المستوحاة من هيكل أوراق النبات والمباني المستوحاة من النمل الأبيض مع تهوية أكثر فعالية في المدن حول العالم.

حتى في أكثر الأماكن الحضرية ، الطبيعة في كل مكان حولنا.