Βιομιμητισμός: με βεντούζες σαν χταπόδι ή γλυστερός σαν φύλλο λωτού;

Το 2004, η Alice Pietsch από το Πανεπιστήμιο Εκπαίδευσης Δασκάλων Styriaw1, Αυστρία, εμπνεύστηκε από μία απλή αλλά εντυπωσιακή επίδειξη σε ένα μουσείο επιστημών. Ένας συνταξιούχος καθηγητής επιστημών χρησιμοποιούσε ένα φυσερό για να εισάγει αέρα σε δύο πνεύμονες προβάτου, φουσκώνοντας και ξεφουσκώνοντάς τους ρυθμικά. Ο κόσμος γύρω του ήταν πολύ περισσότερος σε σχέση με τα άλλα πιο τεχνολογικά εκθέματα – που είναι αυτό που έκανε την Alice να δημιουργήσει ένα διαδραστικό μουσείο επιστημών.

Το 2008, το όνειρό της έγινε πραγματικότητα. Για πέντε μήνες, φοιτητές στο Styria όλων των ηλικιών ανέπτυξαν 50 διαφορετικές δραστηριότητες για άλλους φοιτητές. Η έκθεση Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen (‘Επιστήμη και τεχνολογία για άγγιγμα’) έγινε το 2009 στο Haus der Wissenschaft (‘Οίκος επιστημών’) στο Graz, Αυστρία, όπου οι φοιτητές και οι καθηγητές τους βοηθούσαν τους επισκέπτες με κάθε δραστηριότητα. Ήταν μεγάλη επιτυχία.

Οι περισσότερες δραστηριότητες από την έκθεση μπορούν να γίνουν στην τάξη. εδώ παρουσιάζουμε δύο δραστηριότητες για το βιομιμητισμό – την εφαρμογή αρχών από τη φύση στη μηχανική και τεχνολογία. Το βέλκρο, που μιμείται τους αγκυλωτούς σπόρους της κολλιτσίδας, και ο σκελετός πλοίων, που μιμείται το παχύ δέρμα των δελφινιών, είναι κοινά παραδείγματα. Οι παρακάτω δραστηριότητες αφορούν τις βεντούζες και την υπερυδροφοβικότητα, που απαντώνται στη φύση. Οι δραστηριότητες αναπτύχθηκαν για μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης (ηλικίας 10-15), αλλά μπορούν να προσαρμοστούν για μαθητές οποιασδήποτε ηλικίας και είναι ένας καλός τρόπος διδασκαλίας για φυσική, χημεία και βιολογία. Ανάλογα με το πόση λεπτομέρεια θέλετε, οι δραστηριότητες μπορούν να διαρκέσουν από πέντε λεπτά μέχρι πάνω από μία ώρα.

Η πλήρης συλλογή δραστηριοτήτων της έκθεσης είναι διαθέσιμη σε έντυπη μορφή στα Γερμανικά από τη Birgit Muhr (birgit.muhr@phst.at) στα €19 συν έξοδα αποστολής.

Προσκόλληση σε επίπεδες επιφάνειες: αρνητική πίεση

Η έμπνευση για τις βεντούζες που χρησιμοποιούμε στο σπίτι προέκυψε από τα πέλματα των βατράχων των δέντρων και τα πλοκάμια των χταποδιών, των οποίων η δύναμη προσκόλλησης ήταν γνωστή στους αρχαίους Έλληνες.

Χρησιμοποιούμε τις βεντούζες σε επίπεδες επιφάνειες – για την τοποθέτηση γάντζων στα πλακάκια του μπάνιου ή για τη σταθεροποίηση των οικιακών συσκευών και στα πατάκια της μπανιέρας ή στα παιδικά παιχνίδια με βελάκια.

Αν παρατηρήσετε μία βεντούζα, θα διαπιστώσετε ότι είναι ελαφρά κοίλη. Μήπως αυτή η κοίλη επιφάνεια είναι σημαντική για την ικανότητα προσκόλλησης; Και γιατί πρέπει να βρέξουμε τις βεντούζες προτού τις χρησιμοποιήσουμε; Ας δούμε.

Υλικά

• 4 βεντούζες (βεβαιωθείτε ότι μπορείτε να τοποθετήσετε σπάγγο σε αυτές)

• Μία μικρή σέγα

• Ένα κοντάρι 50 cm, διαμέτρου περίπου 3-4 cm (οι μαθητές πρέπει να μπορούν να τυλίξουν τα δάκτυλά τους γύρω του εύκολα)
• Τέσσερα κομάτια δυνατού σπάγγου 50 cm
• Ψαλίδι
• Ένα κομμάτι πλαστικού (περίπου 1 x 1 m)
• Έναν ανεξίτηλο μαρκαδόρο

Διαδικασία

1. Με τη σέγα κάντε τέσσερις εγκοπές στο κοντάρι που να ισαπέχουν μεταξύ τους.

2. Δέστε ένα κομμάτι σπάγγο σε καθεμιά από τις τέσσερις βεντούζες.

3. Δέστε τα άλλα άκρα του σπάγγου στις τέσσερις εγκοπές του κονταριού. Σιγουρευτείτε ότι τα τέσσερα κομμάτια σπάγγου έχουν το ίδιο μήκος.

4. Τοποθετήστε το πλαστικό στο πάτωμα και σχεδιάστε με το μαρκαδόρο τέσσερις κύκλους για τις βεντούζες σε ευθεία γραμμή. Εκατέρωθεν της γραμμής, σχεδιάστε ένα αποτύπωμα (βλέπε εικόνα δεξιά).
5. Πιέστε τις βεντούζες στους τέσσερις κύκλους.
6. Επαναλάβετε το πείραμα, βρέχοντας τις βεντούζες προτού τις βάλετε στο πλαστικό. Τι παρατηρείτε;
7. Σταθείτε πάνω στα αποτυπώματα και προσπαθήστε να αποκολλήσετε τις βεντούζες από το πλαστικό τραβώντας το κοντάρι.
8. Τι συμβαίνει στην καμπυλότητα των βεντουζών όταν προσκολλώνται στο πλαστικό;

Συζήτηση

Όταν πιέζετε τη βεντούζα στο πλαστικό, μειώνετε την καμπυλότητά της, ελαττώνοντας τον όγκο του χώρου μεταξύ βεντούζας και πλαστικού και απομακρύνοντας ένα τμήμα του αέρα που βρισκόταν εκεί. Όταν σταματήσετε την άσκηση πίεσης, η ελαστική βεντούζα τείνει να επανέλθει στην αρχική κοίλη μορφή της. Ο όγκος μεταξύ βεντούζας και πλαστικού αυξάνεται ξανά, αλλά υπάρχει λιγότερος αέρας πια, επομένως και μικρότερη ατμοσφαιρική πίεση. Η υψηλότερη πίεση του αέρα έξω από τη βεντούζα την κρατάει προσκολλημένη στο πλαστικό.

Μπορείτε να υπολογίσετε τη δύναμη της βεντούζας ως εξής:

F = AP, όπου F: δύναμη, Α: επιφάνεια, P: πίεση.

Η επιφάνεια είναι πr² όπου r η ακτίνα της βεντούζας. Η πίεση στο χώρο μεταξύ βεντούζας και πλαστικού είναι μηδαμινή σε σχέση με την ατμοσφαιρική πίεση, που είναι περίπου 100.000 Pa. Άρα:

F = πr² (100 000 Pa)

Ο χρόνος που χρειάζεται για την αποκόλληση της βεντούζας από μόνη της (χωρίς άσκηση επιπλέον δύναμης) εξαρτάται από το πόσο πορώδης και επίπεδη είναι η υποκείμενη επιφάνεια και η περίμετρος της βεντούζας, που καθορίζουν πόσο γρήγορα εισέρχεται αέρας εντός, εξισώνοντας την πίεση.

Το νερό, το σάλιο και άλλα υγρά σφραγίζουν καλά τη βεντούζα, κάνοντάς τη αεροστεγή και κάνοντας δυσκολότερη την είσοδο του αέρα. Έτσι, χρειάζεστε περισσότερη δύναμη για την αποκόλληση της βεντούζας αν τη βρέξετε προτού την τοποθετήσετε σε μία επιφάνεια.

Φαινόμενα αυτοκαθαρισμού: υδροφοβικότητα στη φύση

Η φύση έχει κάποιους πραγματικά φανατικούς της καθαριότητας: τα σκαθάρια βγαίνουν από τις κοπριές πεντακάθαρα, σπάνια να δείτε μία βρώμικη πεταλούδα, ενώ κάποια φυτά μπορούν πανεύκολα να διώξουν τη βρωμιά. Ο ινδικός λωτός, για παράδειγμα, αναπτύσσεται σε λάσπες, αλλά δεν έχει καθόλου βρωμιά στα φύλλα του. μάλιστα, στο Βουδισμό, ο λωτός είναι σύμβολο της αγνότητας. Μπορείτε να παρατηρήσετε το φαινόμενο αυτό και αλλού: τα φύλλα και άνθη του νεροκάρδαμου φαίνονται αρκετά καθαρά για κατανάλωση, ακόμη και χωρίς να πλυθούν (ξεπλύνετέ τα πάντως, καλού κακού). Πώς τα καταφέρνουν χωρίς σαπούνι;

Οι άνθρωποι αναπαρήγαγαν αυτό το φαινόμενο αυτοκαθαρισμού για πολλούς λόγους, για παράδειγμα, στα αυτοκαθαριζόμενα πλαστικά, στα κεραμίδια, στα τζάμια, στα κεραμικά, στα βερνίκια αυτοκινήτου και στη μπογιά για προσόψεις κτιρίων. Μπορείτε επίσης να φτιάξετε ρούχα που απωθούν τη βρωμιά ρίχνοντάς τους ένα ειδικό σπρέι.

Πώς λειτουργεί; Ας δούμε.

Υλικά

• Τμήματα φυτών με ιδιότητες αυτοκαθαρισμού, όπως φύλλα νεροκάρδαμου (Tropaelum majus), φύλλα λωτού (Nelumbo nucifera), φύλλα λάχανου (Brassica oleracea), και φύλλα τουλίπας (Tulipa spp.)
• Τμήματα φυτών με υδρόφιλα φύλλα, όπως φύλλα της κοινής οξιάς (Fagus sylvatica) ή της μανόλιας (Magnolia grandiflora)
• Νερό, μέλι και / ή υγρή κόλλα
• Μία πιπέττα παστέρ και μερικά μικρά κουτάλια
• Κέτσαπ, κανέλα σε σκόνη και κάρυ σε σκόνη
• Εφημερίδες, χαρτί κουζίνας και υφάσματα
• Σπρέι αδιαβροχοποίησης (π.χ. για αδιαβροχοποίηση του σουέντ), αυτοκαθαριζόμενη μπογιά προσόψεων, νανοεπένδυση για ξύλο ή γυαλί
• Προαιρετικά: ένα νανοκαλυμμένο κεραμίδι

Διαδικασία

1. Βρέξτε τα αυτοκαθαριζόμενα φυτά με νερό, μέλι ή κόλλα και καλύψτε τα με κέτσαπ, κανέλα ή κάρυ (ως βρωμιά). Τι παρατηρείτε;
2. Επαναλάβετε το πείραμα με τα υδρόφιλα φυτά. Τι παρατηρείτε;
3. Μελετήστε τώρα τις αυτοκαθαριζόμενες ιδιότητες τεχνητών υλικών. Ρίξτε στα υφάσματα, στο χαρτί κουζίνας και στις εφημερίδες διαφορετικά είδη αδιαβροχοποίησης (π.χ. σπρέι, μπογιά ή νανοεπένδυση). Είτε συγκρίνετε τα αποτελέσματα του ίδιου είδους στα διάφορα υλικά ή των διαφορετικών ειδών στο ίδιο υλικό.
4. Χρησιμοποιήστε αυτά και άλλα στεγανοποιημένα υλικά (π.χ. κεραμίδια) για να επαναλάβετε τα πειράματα, βρέχοντάς τα και βρωμίζοντάς τα. Τι παρατηρείτε;

Συζήτηση

Αν ρίξετε νερό ή μέλι σε ένα φύλλο λωτού, θα γλυστρίσει πολύ εύκολα. Η παρατήρηση με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης δείχνει γιατί: πολυάριθμες μικρές προεξοχές στην επιφάνεια καλυμμένες με κερί. Αυτές οι προεξοχές έχουν ύψος 10-20μm και βρίσκονται σε απόσταση 10-15μm μεταξύ τους.

Πώς επιτρέπει η δομή αυτή να μένει το φύλλο λωτού καθαρό; Πρώτον, η δομή του φύλλου λωτού είναι υδροφοβική (απωθεί το νερό). Η υδροφοβικότητα μιας επιφάνειας υπολογίζεται ως η γωνία επαφής μεταξύ της επιφάνειας και της σταγόνας νερού: όσο μεγαλύτερη η γωνία επαφής, τόσο πιο υδροφοβική η επιφάνεια (βλέπε εικόνα δεξιά). Επιφάνειες με γωνία επαφής <90ο λέγονται υδρόφιλες (‘αγαπούν το νερό’). αυτές με γωνία επαφής >90ο, υδρόφοβες. Κάποια φυτά, τα υπερυδρόφοβα, έχουν γωνίες επαφής μέχρι και 160ο, με μόλις το 2-3% της επιφάνειας της σταγόνας σε επαφή με την επιφάνεια του φύλλου. Όμως, το φύλλο λωτού όχι μόνο είναι υπερυδρόφοβο, αλλά και καλυμμένο με τις προαναφερθείσες κέρινες προεξοχές. Αυτές μειώνουν την επιφάνεια επαφής της σταγόνας νερού ακόμη περισσότερο (φανταστείτε τη σταγόνα να επικάθεται πάνω στα άκρα των προεξοχών), με αποτέλεσμα η σταγόνα μόλις που να ακουμπάει το φύλλο (μόλις 0,6% της επιφάνειας σε επαφή) και να γλυστράει εύκολα.

Είδαμε πώς γλυστράει το νερό, αλλά πώς φεύγουν τα σωματίδια σκόνης από τα φύλλα; Τα φύλλα εκτίθενται σε πολλούς ρυπαντές, κυρίως ανόργανους (σκόνη ή καπνιά), αν και άλλοι είναι βιολογικοί (π.χ. σπόροι μυκήτων, μελίτωμα ή φύκη). Σε αδιάβροχα φύλλα όπως του λωτού, δε μειώνεται μόνο η προσκόλληση του νερού στην επιφάνεια – και η σκόνη απομακρύνεται με το νερό. Αυτό δεν είναι όμως τόσο προφανές: υπάρχουν δύο τύποι σωματιδίων σκόνης – τα υδρόφιλα και τα υδρόφοβα. Τα υδρόφιλα όπως η λάσπη παρασύρονται από το νερό και δε διαφεύγουν ξανά. Φαίνεται ένα μονοπάτι πάνω στο φύλλο εκεί που οι σταγόνες παρέσυραν τα σωματίδια μαζί τους.

Αλλά τι γίνεται με τα υδρόφοβα σωματίδια; Θα περιμένατε να προσκολλώνται στην υδρόφοβη επιφάνεια του φύλλου, αλλά στην πραγματικότητα η σταγόνα νερού θα τα αφαιρέσει κι αυτά. Πώς γίνεται αυτό; Τα σωματίδια ακουμπούν μόνο στις κορυφές των κέρινων δομών και καθώς η επιφάνεια επαφής είναι μικρή, εξίσου μικρή είναι και η δύναμη έλξης μεταξύ σωματιδίου και φύλλου. Είναι τόσο μικρή που οι μικρές δυνάμεις έλξης μεταξύ υδρόφοβου σωματιδίου και νερού είναι μεγαλύτερες. Έτσι, αντίθετα με το υδρόφιλο σωματίδιο, που εισέρχεται μέσα στη σταγόνα, το υδρόφοβο κολλάει στην επιφάνειά της. Το αποτέλεσμα, όμως, είναι ίδιο – απομακρύνεται από το φυτό.

Η υπερυδροφοβικότητα δεν περιορίζεται στο λωτό: κι άλλα φυτά έχουν ιδιότητες αυτοκαθαρισμού χάρη σε τριχίδια που καλύπτουν τα φύλλα τους, τα φτερά της πεταλούδας έχουν δοντάκια που κατευθύνουν τις σταγόνες μακριά από το σώμα του εντόμου άσχετα από τη θέση του φτερού, ενώ το κέλυφος των σκαθαριών έχει γεωμετρικές υφές που το κάνουν υδρόφοβο.

Ποιο είναι το πλεονέκτημα των αυτοκαθαριζόμενων επιφανειών; Για τα σταθερά φυτά, είναι τρόπος προστασίας ενάντια στους μικροοργανισμούς, όπως μύκητες, βακτήρια ή φύκη. Τα περισσότερα φυτά καταπολεμούν τους εχθρούς αυτούς χημικά με πληθώρα δευτερογενών μεταβολιτών, αλλά δυνητικά πιο αποτελεσματική είναι η εξ αρχής παρεμπόδισή τους να εγκατασταθούν. Επιπλέον, αν τα φύλλα καλύπτονται με σκόνη, μειώνεται η επιφάνεια για φωτοσύνθεση. Τα αυτοκαθαριζόμενα φύλλα των πεταλούδων δεν συγκρατούν νερό και δε γίνονται βαριά, που θα εμπόδιζε το έντομο να πετάξει.

Οι άνθρωποι ανέπτυξαν πολλά είδη τεχνολογίας που μιμούνται αυτά τα υδρόφοβα αποτελέσματα. Τα σπρέι αδιαβροχοποίησης, για παράδειγμα, καλύπτουν το υλικό με μία επίστρωση σαν κερί που κάνει τα υλικά υδρόφοβα. Κάποιες μπογιές προσόψεων κάνουν ένα βήμα παραπέρα, δημιουργώντας μικρές προεξοχές όταν στεγνώνουν. Οι προεξοχές αυτές είναι εξίσου υδρόφοβες όσο οι κέρινες δομές του λωτού με αποτέλεσμα την υπερυδροφοβικότητα της βαμμένης επιφάνειας.

Ευχαριστίες

Οι δύο δραστηριότητες στο άρθρο αυτό αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια εργαστηρίου της Astrid Wonisch για φοιτητές του Πανεπιστημίου Karl-Franzens Graz που σπούδαζαν για καθηγητές βιολογίας, και περιελήφθησαν στην έκθεση του 2008 Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen.

Οι φοιτητές βιολογίας Steffen Böhm και Karin Edlinger συνεργάστηκαν με μαθητές από τις δύο τελευταίες τάξεις βιομιμητισμού (ηλικίας 17-19) του λυκείου BG / BRG Petersgasse, Graz, ένα σχολείο δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης με έμφαση στην επιστήμη και τα μαθηματικά, και τους καθηγητές βιολογίας του σχολείου, Renate Rovan and Ruth Unger, στο ‘Προσκόλληση σε επίπεδες επιφάνειες: αρνητική πίεση’.

Οι φοιτητές βιολογίας Anna Freudenschuss και Ingo Fuchs συνεργάστηκαν με μαθητές ηλικίας 14-15 από μία τάξη του σχολείου δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης BG / BRG Fürstenfeld, Fürstenfeld, στο ‘Φαινόμενα αυτοκαθαρισμού: υδροφοβικότητα στη φύση’.