Chrząszcz pustynny ratunkiem dla wysychającej planety
Chemicy z UMK chcą stworzyć membranę, która potrafi jednocześnie zbierać i odpychać wodę, inspirując się budową skóry chrząszcza pustynnego. Nowy materiał ma transportować wodę i zatrzymywać sole oraz inne zanieczyszczenia.
Coraz więcej odkryć naukowych inspirowanych jest podglądaniem natury. Przykładem może być kwiat lotosu, który sam się oczyszcza. Naukowcy, którzy zaczęli oglądać jego strukturę pod mikroskopem, doszli do wniosku, że jest silnie hydrofobowa, czyli unika wchłaniania kropel wody, która spływając, zbiera pył i kurz.
Taka budowa pomaga redukować siły adhezji, czyli przyczepiania się wody do kwiatu, a jednocześnie brud łatwo nanosi się na kroplę wody, co daje efekt samooczyszczania. Dzięki tej obserwacji powstały samoczyszczące się powierzchnie, m.in. farby, dachówki czy tkaniny.
Kolejną ciekawą strukturę posiadają płatki róży. Dzięki hydrofobowej powierzchni kropla wody, która spadnie na płatek, przykleja się i nie spad. Efekt ten związany jest z wytworzeniem powierzchni hydrofobowej, ale o dużej adhezji.
Bardzo interesującym przypadkiem jest również żaba, chodząca po sufitach, która nie spada mimo chropowatej powierzchni. Naukowcy postanowili sprawdzić, jak jest zbudowana jej łapka i spróbowali ją odtworzyć. Teraz podobne rozwiązanie możemy spotkać na tzw. kopertach samoprzylepnych. Mają one papierowy pasek, chroniący klej. Można go oderwać bez żadnego problemu, natomiast gdy klej trafi na inny rodzaj papieru i zamkniemy kopertę, nie da się jej otworzyć bez rozcinania.
Niesamowity chrząszcz
W naturze odnaleźć można bardziej złożone przypadki. Przykładem jest struktura pancerza chrząszcza pustynnego, która pełni podwójną funkcję. Jest jednocześnie hydrofobowa i hydrofilowa, a więc na pancerzu są obszary chłonące wodę i ją odpychające. Dzięki temu chrząszcze mogą przeżyć w tak trudnym środowisku, jakim jest pustynia – nic nie przylepia im się do pancerzyka, szczególnie wilgotny piasek, natomiast woda zbierana na obszarach hydrofobowych umożliwia im picie i przeżycie.
– Oglądałam film, jak chrząszcz staje rano na łapkach, gdy jest rosa i wychwytuje z tej mgiełki wodę. Dzięki temu, że reszta powierzchni pancerza jest pokryta woskiem, woda spływa, a chrząszcz jest w stanie ją pić i przetrwać w tak trudnych warunkach. – mówi dr hab. Joanna Kujawa, prof. UMK z Wydziału Chemii.
Naukowcy zaczęli szukać sposobu, aby przenieść to rozwiązanie do laboratorium, gdyż takie zjawisko jest wykorzystywane w destylacji membranowej.
– Tam enzymy nanosi się przez absorpcję, czyli przyleganie powierzchniowe, a nie wiązania chemiczne. Jeśli jest to absorpcja fizyczna, to łatwo może nastąpić desorpcja, bo tam oddziałują słabe siły – tłumaczy prof. dr hab. Wojciech Kujawski z Wydziału Chemii UMK.
Mocniejsze membrany
Celem jest wzmocnienie membrany, która dzięki połączeniom chemicznym staje się trwalsza i odporniejsza na degradację. Dobrym pomysłem okazało się wykorzystanie chitozanu, którego na świecie jest bardzo dużo. Chityna, którą łatwo można przekształcić w chitozan, występuje naturalnie w pancerzach m.in. krewetek oraz innych morskich skorupiaków.
Toruńscy naukowcy stwierdzili, że nie dość, że jest możliwość skopiowania struktury pancerza chrząszcza, to do tematu można podejść kompleksowo i wykorzystać zalegający chitozan zgodnie z zasadami filozofii zero waste. Dzięki niemu woda będzie jeszcze łatwiej spływać, spełni on więc tę rolę, którą spełnia wosk u chrząszcza. Chemicy zdecydowali, by chitozan przyłączyć w miejscu hydrofilowych wysepek.
– To jest wymóg destylacji membranowej, że powierzchnia membrany musi być porowata i hydrofobowa. Można znaleźć wiele przykładów wykorzystania chitozanu w membranach, ale nikt wcześniej nie przyłączał go chemicznie. Dało nam to duże pole do popisu – jeśli przyłączymy chitozan chemicznie, to pozostanie na swoim miejscu. Będziemy mieli stabilne połączenie. – wyjaśnia prof. Kujawa.
Chemicy z UMK napisali artykuły na temat tych badań. Pierwszy o przyłączaniu zmodyfikowanego chitozanu do membrany ukazał się w Desalination, drugi o dłączaniu chitozanu do zmodyfikowanej membranie opublikowali w ACS Applied Materials and Interfaces.
Badania są realizowane we współpracy z partnerem zagranicznym, prof. Samerem Al-Gharabli z Wydziału Farmacji i Inżynierii Chemicznej Niemiecko-Jordańskiego Uniwersytetu w Ammanie (Jordania). W ramach tej współpracy naukowcy prowadzą wspólne badania skupiające się na wytwarzaniu tzw. „smart materials” – inteligentnych materiałów separacyjnych o kontrolowanych właściwościach do szerokiego spektrum zastosowań.
Dzięki swoim odkryciom chcą zrobić takie membrany, które coraz lepiej będą transportować wodę i jednocześnie zatrzymywać sole i inne zanieczyszczenia.
Wynalazek ma na celu zwiększenie dostępu do wody pitnej na Ziemi.