Phác họa cấu trúc tự nhiên

Mục đích của bài báo là nghiên cứu một số bề mặt cấu trúc tự nhiên, thiết kế thông minh và sá ng tạ o trên bề mặt của chú ng nhằm ứng dụng chúng vào công nghiệp. Bề mặt lá sen (Nelumbo nucifera) được biết đến như một mặt phẳng không dính nước, bề mặt của rêu (Bryophyta) được xem như một bề mặt ưa nước và da cá mập (Carcharodon Carcharias) như bề mặt với các thông số rất tốt về thủy cơ đã được lựa chọn để nghiên cứu và phát họa cấu trúc. Ban đầu tất cả các mẫu được sấy khô trong không khí và sau đó phun lên bề mặt mẫu một lớp hợp kim Au-Pd.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phác họa cấu trúc tự nhiênTạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sảnSố 1/2014THOÂNG BAÙO KHOA HOÏCNATURAL STRUCTURES DESIGNPHÁC HỌA CẤU TRÚC TỰ NHIÊNKroisova Dora1, Ron Jiri2Ngày nhận bài: 21/8/2013; Ngày phản biện thông qua: 12/02/2014; Ngày duyệt đăng: 10/3/2014TÓM TẮTMục đích của bài báo là nghiên cứu một số bề mặt cấu trúc tự nhiên, thiết kế thông minh và sáng tạo trên bề bặt củachúng nhằm ứng dụng chúng vào công nghiệp. Bề mặt lá sen (Nelumbo nucifera) được biết đến như một mặt phẳng khôngdính nước, bề mặt của rêu (Bryophyta) được xem như một bề mặt ưa nước và da cá mập (Carcharodon Carcharias) như bềmặt với các thông số rất tốt về thủy cơ đã được lựa chọn để nghiên cứu và phát họa cấu trúc. Ban đầu tất cả các mẫu đượcsấy khô trong không khí và sau đó phun lên bề mặt mẫu một lớp hợp kim Au-Pd. Các nghiên cứu về cấu trúc đều được thựchiện trên kính hiển vi điện tử quét VEGA\\TESCAN với độ phóng đại trong khoảng từ 200 đến 100 000 với điện áp gia tốclà 10 kV. Thông qua kính hiển vi điện tử quét để có thêm thông tin về cấu trúc của chúng. Phần mềm ImageTool phiên bản3.0 của Trường Đại học Texas Health Science Center ở San Antonio đã được sử dụng để phân tích hình ảnh của bề mặt tựnhiên. Công ty KOH-I-NOR PONAS tại Cộng hòa Séc đã hợp tác chọn phác họa các bề mặt cấu trúc này và bây giờ nhiệmvụ của họ là thử nghiệm trong điều kiện thực tế.Từ khóa: cấu trúc tự nhiên và cấu trúc nano, thiết kế, kỹ thuật sinh họcABSTRACTThe aim of this work is studying of natural surface structures, their design preparation and subsequent creation ofthe specific surfaces of molds for industrial applications. Lotus leaf surface (Nelumbo nucifera) as a superhydrophobicplant surface, a leaf surface of a common moss (Bryophyta) as a hydrophilic surface and a shark skin (Carcharodoncarcharias) as a surface with good hydromechanical parameters were selected in order to show how to study and design thestructures. At first all the samples were dried in the air and after that were sputtered by a layer of Au-Pd alloy. The studiesof the natural object structures were performed on a scanning electron microscope VEGA\\TESCAN at magnifications inthe range of 200 to 100000x at 10 kV accelerating voltage. Through the scanning electron microscopy it is possible to getmore information about the structures in order to create their design. Software ImageTool version 3.0, The University ofTexas Health Science Center at San Antonio was used for an image analysis of the selected natural surfaces. The designedstructures of chosen surfaces were prepared in cooperation with KOH-I-NOR PONAS, the Czech Republic Company, andnow their functions are tested in real conditions.Keywords: natural structures and nanostructures, design, bionicsI. INTRODUCTIONAn increasing amount of researchers havebeen working on a study of natural plant and animalsurfaces from point of view of material compositionsand structures as well as processes by which arethese objects created. An interest in this type ofmaterials comes out from the fact that life on the12Earth has developed for more than 3.5 billion yearswhich has resulted in practically ideal solutions.The natural surfaces usually show multilevelstructures beginning on a molecular level through anano-scale level and ending on a micro-scale levelwhere many different material combinations are inmutual coexistence.Assoc. Prof. Kroisova: Centre for Nanomaterials, Advanced Technologies and Innovations, Technical University of Liberec,Czech Republic, Email: dora.kroisova@tul.czMsc. Ron Jiri: Faculty of Mechanical Engineering, Technical University of Liberec, Czech RepublicTRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 39Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sảnSuitable examples are water repellent plantleaves surfaces created by various structures wherethe microstructure is formed of single surface cellsand the nanostructure is formed by wax particlessecreted on the cells surface. In some cases theremay occurred obvious macrostructure which caneven be visible by the naked eye.These structures facilitate to leaves to stayclean because adhered dust and other impuritieshinder a process of photosynthesis [1], [2].The first studied object was a superhydrophobicsurface of a leaf of an Indian lotus (Nelumbo nucifera).Other surfaces inspiring to a muse may be forinstance a hydrophilic moss surface ensuring waterand nutrients absorption without necessity of usinga root system.The structures lessening water flow resistancecould be animal skins - shark skin in case of thisstudy [3].II. EXPERIMENTSFor a microscopic evaluation and followingimage analysis were chosen samples of the Indianlotus, the moss and the shark skin. All the sampleswere dried in the air and sputtered by a thin layerof Au-Pd alloy. Observations of the structures wereperformed on a scanning electron microscope (SEM)VEGA\\TESCAN at magnifications in the range of200 to 100000x at 10 kV accelerating voltage.SEM images of the sample surface structureswere used for the image analysis which aim wasfinding dimensions and geometry of the micro andnanoparticles. Software ImageTool version 3.0, TheUniversity of Texas Health Science Center at SanAntonio was used for the image analysis.The images were tresholded and transferred tobinary images, i.e. bright areas (peaks of the surfacecells of the lotus) on the SEM images weretransferred to white colour and areas among thecells to black colour. The images were purifiedfrom noise (spots and smears). Some cells on theSEM images were joined together which would beevaluated as a one cell instead of two ones. Thisproblem was treated by a “watershed” function. Aftera segmentation of the epidermal cells a cell densityρcells was evaluated. Another step was a contact arearatio between liquid and solid phase fLSmicroevaluation (i.e. a sum of the white areas divided bythe whole image area). The same policy was ...