Inżyniera bioniczna – czepliwy jak ośmiornica, czy śliski jak liść lotosu? Teach article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Astrid Wonisch, Margit Delefant oraz Marlene Rau opisują dwa ćwiczenia opracowane w ramach austriackiego projektu „Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen” (Nauka i technika na dotyk), dla sprawdzenia jak natura inspiruje technologię.

Żaba nadrzewna
Zdjęcie dzięki uprzejmości
chang / iStockphoto

W 2004 roku Alice Pietsch, z Uniwersytetu Nauczycielskiego w Styriiw1, w Austrii, została zainspirowana prostą, ale widowiskową demonstracją w muzeum nauki. Emerytowany nauczyciel pompował za pomocą miecha powietrze do płuc owcy, rytmicznie napełniając je i wypuszczając z nich powietrze. Zgromadziło się wokół niego znacznie więcej widzów, aniżeli przed wieloma innymi, bardziej skomplikowanymi eksponatami. Alice podjęła wówczas decyzję o stworzeniu interakcyjnego muzeum nauki.

W 2008 jej marzenie się spełniło. Przez ponad pięć miesięcy, Styryjscy uczniowie (w różnym wieku) opracowali 50 ćwiczeń dla innych uczniów. Na tej podstawie powstała w 2009 w Haus der Wissenschaft (Dom Nauki), w Grazu, w Austrii, wystawa: Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen. Przy każdym ćwiczeniu zwiedzającym pomagali ich autorzy ze swoimi nauczycielami. Wystawa cieszyła się dużym sukcesems.

Hydrofobowe właściwości
kwiatu lotosu

Zdjęcie dzięki uprzejmości
tanakawho; źródło obrazu:
Flickr

Większość ćwiczeń z tej wystawy nadaje się do wykorzystania podczas lekcji. Tutaj prezentujemy dwa ćwiczenia z bioniki, która wykorzystuje prawidłowości podpatrzone w przyrodzie w inżynierii i technologii. Zapięcia na rzepy, naśladujące haczykowate nasiona łopianu, czy też powłoki kadłubów łodzi, przypominające grubą skórę delfinów, są typowymi tego przykładami. W naszych ćwiczeniach zajmujemy się podkładkami-przyssawkami i super-hydrofobicznymi powierzchniami, przypominającymi te, które istnieją w naturze. Ćwiczenia są adresowane do uczniów gimnazjum (10-15 lat), ale mogą być wykonywane z powodzeniem przez uczniów w dowolnym wieku. Stanowią doskonałą sposobność łączenia fizyki, chemii i biologii. W zależności od szczegółowości zainteresowań, wykonanie ćwiczenia może zająć od pięciu minut do ponad godziny.

Pełen zestaw ćwiczeń prezentowanych podczas wystawy jest dostępny w wersji drukowanej na terenie Niemiec w Birgit Muhr (birgit.muhr@phst.at), za €19 plus koszty wysyłki.

Adhezja na płaskich powierzchniach – podciśnienie

Żaba nadrzewna
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nickodemo; źródło obrazu:
Flickr

Pierwowzorem dla podkładek-przyssawek używanych w gospodarstwach domowych, były palce nadrzewnych żab i macki ośmiornic, których zdolności przywierania były znane już starożytnym Grekom.

Korzystamy z takich podkładek mocując haki do kafelków w łazience, unieruchamiając urządzenia używane w kuchni albo też gumowe maty pod prysznicem. W przyssawki zaopatrzone są strzały-zabawki. Dlaczego przywierają?

Jeżeli przyjrzeć się podkładce-przyssawce można zauważyć że jest ona nieznacznie zakrzywiona. Czy ta krzywizna ma znaczenie dla siły przywierania? Dlaczego trzeba zwilżyć przyssawkę przed użyciem? Zbadajmy to.

Materiały

  • 4 silikonowe przyssawki (upewnij się, czy można przymocować do nich sznurek)
  • Piła włosowa (laubzega)
Piła włosowa
Zdjęcie dzięki uprzejmości
EddWestmacott / iStockphoto
  • 50 cm drążek, około 3-4 cm średnicy (uczniowie powinni pewnie objąć go dłonią)
  • Cztery 50 cm odcinki mocnego sznurka
  • Nożyczki
  • Plastikowa płaszczyzna (około 1 x 1 m)
  • Marker permanentny

Procedura

  1. Wykonaj piłą włosową cztery równoodległe wyżłobienia w drążku.
  2. Przywiąż po jednym odcinku sznurka do każdej z czterech przyssawek.
  3. Przeciwne końce sznurków obwiąż wokół wyżłobień w drążku. Sprawdź, czy wszystkie cztery sznurki mają dokładnie taką samą długość.
Zestaw ćwiczeniowy z
adhezji. Alternatywnie można
użyć jednej przyssawki i
krótszego drewnianego
drążka (obrazek w głębi)

Zdjęcie dzięki uprzejmości
PHSt Archiv
  1. Połóż plastikową płaszczyznę na podłodze, narysuj markerem cztery okręgi w linii prostej – miejsca dla przyłożenia przyssawek. Po obu stronach linii narysuj ślady stóp (zobacz obrazek po prawej).
  2. Umieść przyssawki wewnątrz okręgów i dociśnij je do powierzchni płaszczyzny.
  3. Powtórz ten eksperyment, zwilżając przyssawki przed dociśnięciem ich do płaszczyzny. Co zaobserwowałeś?
  4. Stań na zaznaczonych śladach stóp i ciągnąc za drążek spróbuj oderwać przyssawki od płaszczyzny.
  5. Co dzieje się z krzywizną przyssawek, gdy są one dociskane do plastikowej płaszczyzny?

Omówienie

Podczas dociskania przyssawki do płaszczyzny zmniejszasz jej krzywiznę i tym samym objętość zawartą pomiędzy nią a płaszczyzną, usuwając przy tym nieco powietrza. Kiedy przestajesz dociskać, elastyczna przyssawka próbuje ponownie przyjąć swój pierwotny, zakrzywiony kształt. Objętość między przyssawką i płaszczyzną powiększa się, ale teraz jest w niej mniej powietrza i z tego powodu niższe ciśnienie. Wyższe ciśnienie powietrza na zewnątrz „przykleja” podkładkę do płaszczyzny.

Można obliczyć siłę przylegania jako:

F = AP; gdzie F – siła; A – powierzchnia; P – ciśnienie.

Powierzchnia jest równa πr2, gdzie r jest promieniem przyssawki. Ciśnienie wewnątrz jamy między przyssawką i płaszczyzną jest zaniedbywalne w porównaniu do ciśnienia atmosferycznego, równego około 100 000 Pa. Zatem:

F = πr2 (100 000 Pa)

Czas, po którym przyssawka powraca do swego normalnego kształtu (bez stosowania dodatkowej siły) zależy od tego, jak porowate i płaskie są zarówno: krawędź przyssawki, jak i powierzchnia znajdująca się pod nią. Decyduje to o szybkości wciekania powietrza na powrót i wyrównywania się ciśnień.

Woda, ślina oraz inne płyny uszczelniają przyssawkę powodując, że powrotne wciekanie powietrza jest wolniejsze. Dlatego potrzeba większej siły by odciągnąć przyssawki, jeżeli przed przymocowaniem do powierzchni zostały zwilżone.

Efekt samooczyszczania – hydrofobia w naturze.

Żuk gnojowy pozostaje
nieskazitelnie czysty, nawet
gdy pozwala sobie na swoją
ulubioną rozrywkę

Zdjęcie dzięki uprzejmości
vendys / iStockphoto

W naturze istnieją wyjątkowi fanatycy czystości. Żuki gnojowe tocząc kulki gnoju wyglądają nieskazitelnie czysto, rzadko też ujrzysz brudnego motyla albo ważkę. Niektóre rośliny równie skutecznie pozbywają się brudu. Indyjski lotos, który w Buddyzmie jest symbolem czystości, rośnie w mętnej wodzie. Efekt lotosu można oglądać w pobliżu własnego domu – liście i kwiaty nasturcji zachęcają do spożycia, nawet bez przemywania (lepiej jednak przemyć, na wszelki wypadek). Jak to możliwe?

Ludzie odtworzyli efekt samooczyszczania w wielu praktycznych zastosowaniach, jak w przypadku samoczyszczących się: plastików, dachówek, szyb okiennych, ceramice, lakierach do samochodu i drewna, farbie façade. Można też mieć brudoodporne ubrania, po nasyceniu ich specjalnym płynem.

Jak to działa? Dowiedzmy się.

Materiały

  • Części roślin posiadających własność samooczyszczania, jak na przykład: liście nasturcji (Tropaelum majus), liście lotosu (Nelumbo nucifera), liście kapusty (Brassica oleracea), liście tulipana (Tulipa spp.)
  • Części roślin o wodolubnych liściach, takich jak: liście buku pospolitego (Fagus sylvatica) albo magnolii wielkokwiatowej (Magnolia grandiflora )
  • Woda, rzadki miód i / albo płynny klej.
  • Pipetka Pasteura, kolba i kilka małych łyżeczek.
  • Ketchup, zmielony cynamon i sproszkowane curry
  • Gazeta, ręcznik papierowy i ściereczki tekstylne
  • Spray do impregnowania (np. do ochrony zamszu), samoczyszcząca farba façade do drewna lub szkła, nadająca nanoochronną powłokę.
  • Opcjonalnie: nanouszczelniona dachówka

Procedura

  1. Zwilż samoczyszczące rośliny wodą, miodem lub klejem i pokryj je ketchupem, cynamonem albo curry (na podobieństwo brudu). Co obserwujesz?
  2. Powtórz ten eksperyment z wodolubnymi liśćmi. Co obserwujesz?
  3. Zbadaj teraz samoczyszczące własności materiałów syntetycznych. Pokryj ściereczki, papierowy ręcznik i gazetę różnymi typami nanoochronnych substancji (np. sprayem impregnującym, farbą albo nanopreparatem). Porównaj skutek użycia wybranej substancji na różnych materiałach, albo różnych typów substancji na tym samym materiale.
  4. Powtórz eksperymenty z użyciem różnych materiałów pokrytych nanopowłoką (np. dachówek), zwilżając je i brudząc. Co obserwujesz?

 

Uwaga

Niektórzy uczniowie mogą być uczuleni na poszczególne rośliny, albo części roślin, np. pyłki. Przed użyciem nanopreparatu, środka impregnującego, itp., uważnie przeczytaj instrukcję na opakowaniu. Może być wymagane jest użycie rękawiczek albo zapewnienie dobrej wentylacji. Zapoznaj się także z uwagami dotyczącymi ogólnego bezpieczeństwa.

 

Obrazy z elektronowego
mikroskopu skaningowego,
powiększenia: 300x (górny),
2500x (środkowy) i 3000x
(dolny), Widoczne są
woskowe struktury na
powierzchni liścia ryżu,
podobne do występujących
na liściach nasturcji lub
lotosu. Pierwszy obraz
pokazuje woskowate guzki
między aparatami
szparkowymi; drugi pokazuje
aparaty szparkowe z bliska;
trzeci pokazuje
brodawkowatą powierzchnię
liścia i szczegóły struktur
woskowych

Zdjęcia dzięki uprzejmości
Sarah Perfect / Syngenta

Dyskusja

Kropla wody lub miodu upuszczona na liść lotosu bardzo szybko się z niego stacza. Obejrzenie liścia pod skaningowym mikroskopem elektronowym ujawnia przyczynę: widać na jego powierzchni bardzo wiele maleńkich, pokrytych woskiem guzków. Te guzki mają około 10-20 µm wysokości i znajdują się w odległości 10-15 µm od siebie wzajemnie.

Kąt Θ zetknięcia kropelki
wody z powierzchnią

Obraz z domeny publicznej;
źródło obrazu: Wikimedia
Commons

Dlaczego taka struktura pomaga liściowi lotosu zachować czystość? Po pierwsze, liść lotosu jest hydrofobowy (niezwilżalny przez wodę). Hydrofobowość powierzchni można wyrażać wielkością kąta między powierzchnią podłoża i powierzchnią kropi wody – kątem zwilżania. Im ten kąt większy, tym bardziej hydrofobowa jest powierzchnia (zobacz obraz po prawej). Powierzchnie, dla których kąt zwilżania <90° są hydrofilowe (wodolubne), a dla których kąt zwilżania >90° są hydrofobowe (niezwilżane). Dla roślin superhydrofobowych, kąty styczności osiągają 160° i ledwie 2-3% powierzchni kropli jest wtedy w kontakcie z powierzchnią liścia. Liść lotosu jest nie tylko superhydrofobowy, ale też pokryty wcześniej wzmiankowanymi woskowatymi guzkami. Zmniejszają one jeszcze bardziej powierzchnię kontaktu kropelki wody (wyobraź sobie kroplę siedzącą na zakończeniach guzków) z takim skutkiem, że kropla zaledwie dotyka liścia (tylko 0.6 % powierzchni kontaktu) i łatwo się z niego zsuwa.

Kropelki cieczy na
powierzchni, różne poziomy
hydrofobiczności

Zdjęcie dzięki uprzejmości
MesserWoland; źródło obrazu:
Wikimedia Commons

Wiemy dlaczego woda spływa, ale w jaki sposób liście pozbywają się cząstek brudu? Rośliny są narażone na rozmaite zanieczyszczenia, z który wiele jest nieorganicznych (kurz albo sadza), a inne mają pochodzenie biologiczne (np. spory grzybów, konidia, spadź lub glony). Na niezwilżalnych liściach, np. lotosu, nie tylko przyleganie wody jest słabe, także brud jest po prostu zmywany przez wodę. Nie jest to jednak aż tak oczywiste, jak się wydaje. Są dwa różne typy cząstek brudu: hydrofilowe i hydrofobowe. Wodolubne cząstki, np. mułu, są wchłaniane przez kropelki wody i nie mogą się z nich wydostać. Na liściu, na którym krople wody uwięziły te cząstki i porwały je, widoczny jest wyraźny szlak.

Na powierzchni
superhydrofobowej, kropla
jest prawie sferyczna i ma
bardzo mały kąt styczności

Obraz z domeny publicznej;
źródło obrazu: Wikimedia
Commons

Co z cząstkami hydrofobowymi? Można by oczekiwać, że przylepią się powierzchni hydrofobowego liścia, lecz w rzeczywistości kropla wody je usunie. Jak to się dzieje? Cząstki takie ledwie dotykają zakończeń struktur woskowych, a ponieważ powierzchnie kontaktu są maleńkie, takie też są siły spójności między cząstkami i liściem. Są one tak małe, że nawet słabe siły spójności między hydrofobową cząstką i wodą są silniejsze. Tak oto, w przeciwieństwie do hydrofilowej cząstki, która zostaje uwięziona wewnątrz kropli, cząstki hydrofobowe przylepiają się do powierzchni kropli. Efekt końcowy jest taki sam – są one zmywane z rośliny.

Superhydrofobia nie dotyczy wyłącznie lotosu, inne rośliny są zdolne do samooczyszczania dzięki włoskom pokrywającym ich liście. Skrzydła motyla pokryte są drobnymi bruzdkami, które kierują krople deszczu daleko od ciała owada, niezależnie czy skrzydło jest nachylone ku górze czy ku dołowi. Żuki gnojowe mają wytłoczoną w pancerzu geometryczną teksturę, która czyni ich okrywę hydrofobową.

Zbliżenie skrzydła motyla
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Sebastian; źródło obrazu: Flickr

Jaka jest zaleta z tych samoczyszczących się powierzchni? U roślin stanowią one ochronę przed mikroorganizmami, takimi jak: grzyby, bakterie lub algi. Większość roślin zwalcza tych wrogów chemicznie, za pomocą różnorodnych produktów metabolizmu, ale zapobieganie ich osadzaniu się jest potencjalnie bardziej efektywne. W dodatku , jeżeli liście są pokryte brudem, zmniejsza się powierzchnia dostępna dla fotosyntezy. Samoczyszczące się skrzydła motyli nie zatrzymują wody, przez co nie stają się one ciężkie, co mogłoby uniemożliwić lot.

Ludzie opracowali wiele technologii naśladujących te hydrofobowe właściwości. Na przykład impregnaty pokrywają materiał warstwą podobną do wosku, która czyni go hydrofobowym. Niektóre farby façade są jeszcze doskonalsze, tworząc podczas schnięcia małe guzki. Te guzki są jak woskowe struktury na liściach lotosu i dlatego pomalowana farbą powierzchnia staje się superhydrofobowa.

Mikrofotografia wykonana za
pomocą skaningowego
mikroskopu elektronowego,
ukazująca szczegóły
struktury powierzchni
skrzydła motyla pawie oczko
(powiększenie 50x)

Zdjęcie dzięki uprzejmości
SecretDisc; źródło obrazu:
Wikimedia Commons

Podziękowania

Oba ćwiczenia przedstawione w tym artykule zostały opracowane w kontekście warsztatów prowadzonych przez Astrid Wonisch dla studentów Karl-Franzens-Universität w Grazu, przyszłych nauczycieli biologii i pokazane na wystawie Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen w 2008 roku.

Nad zagadnieniem „Przyleganie na płaskich powierzchniach – podciśnienie” pracowali wspólnie: studenci biologii Steffen Böhm i Karin Edlinger, uczniowie 7-ego i 8-ego roku (17-19 lat) oraz nauczycielki biologii Renate Rovan i Ruth Unger, podczas zajęć bioniki w szkole średniej BG / BRG Petersgasse, w Grazu (szkole ze specjalnością przyrodniczo-matematyczną).

Nad zagadnieniem „Efekt samooczyszczania: hydrofobia w naturze” pracowali z uczniami 4-tego roku (14-15 lat) szkoły średniej BG / BRG Fürstenfeld, w Fürstenfeld studenci biologii: Anna Freudenschuss i Fuchs Ingo.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Więcej o Nauczycielskim Uniwersytecie w Styrii: www.phst.at

Resources

Author(s)

Dr Astrid Wonisch uczy fizjologii roślin w Karl-Franzens-Universität w Graz, w Austrii. Jest kierownikiem uniwersyteckiego centrum dydaktyki biologii i recenzentem. Pracuje ze studentami, którzy szkolą się by zostać nauczycielami biologii.

Margit Delefant jest zastępcą dyrektora regionalnego centrum dydaktyki biologii i nauk o środowisku w Styrii, w Austrii. Dzieli swój czas pomiędzy nauczanie w szkole średniej BG / BRG Fürstenfeld i na Karl-Franzens-Universität w Grazu, gdzie wykłada dydaktykę przyszłym nauczycielom biologii.

Dr Marlene Rau urodziła się w Niemczech i wychowała w Hiszpanii. Po uzyskaniu doktoratu z biologii rozwojowej w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu, w Niemczech, studiowała dziennikarstwo i zajęła się popularyzowaniem nauki. Od 2008 jest jednym z edytorów Science in School.


Review

Daj się wciągnąć! Albo raczej daj szansę swoim uczniom wciągnąć się w czynności opisane w tym artykule.

Przyczepność łapek żabek nadrzewnych i macek ośmiornicy jest dla uczniów zachętą do zbadania istoty działania przyssawek. Młodsi uczniowie rozbawią się obrysowując swoje stopy i spodoba im się dźwięk wydawany przez odrywane przyssawki, przypominający siorbanie. Starsi uczniowie mogą wyjaśnić zjawisko na gruncie fizyki, wykorzystując do tego obliczenia.

W drugim ćwiczeniu pojawia się lepki miód, a także ketchup, cynamon i curry – który uczeń nie ucieszy się mogąc swobodnie zająć się tymi składnikami? Badanie nieprzywierających liści lotosu i nasturcji prowadzi do badania nowatorskich preparatów samoczyszczących. Mogłoby to stanowić osnowę interesujących debat, jak też praktycznych zastosowań, od prostych zadań dla młodych studentów (toczących wodę z liści) do dużo bardziej skomplikowanych dla starszych uczniów pracujących z aerozolami i korzystających dla wyjaśnienia zjawiska z mikrofotografii, z elektronowego mikroskopu skaningowego.

Pierwsze ćwiczenie związane jest z fizyką (ciśnienie), drugie z chemią (oddziaływanie wzajemne powierzchni). Oba odnoszą się do biologii przeświadczeniem, że natura była tam pierwsza – co mogłoby też zostać podjęte i zbadane przez uczniów później. Jeżeli badane są różne liście, można też wprowadzić systematykę.

Oto kilka sugestii dotyczących poleceń, jakie uczniowie mogliby wykonać po ćwiczeniach:

  1. Narysuj kształt przyssawki przed i po dociśnięciu jej do powierzchni. Zaznacz obszary ciśnienia wysokiego, niskiego i równego atmosferycznemu.
  2. W artykule przypomniano, że siła = powierzchnia x ciśnienie. Było to użyte do obliczenia siły przyssania się podkładki. Czy możesz wskazać inne sytuacje, w których równanie to mogłoby również zostać użyte?
  3. Bardzo jest drażniący (i hałaśliwy) upadek półki prysznicowej przymocowanej do wykafelkowanej ściany za pomocą przyssawek. Wyjaśnij, co może być przyczyną zawodności przyssawek i upadku.
  4. W artykule wspomina się, że „żuki gnojowe wypełzają z krowich odchodów”. Co mogłyby takie chrząszcze robić wewnątrz krowich odchodów i dlaczego miałyby wypełzać? Może to wymagać nieco pracy badawczej!
  5. O elektronowym mikroskopie skaningowym wspomina się w dyskusji do drugiego ćwiczenia. Czym jest i jak działa elektronowy mikroskop skaningowy? Czym różni się od elektronowego mikroskopu transmisyjnego?
  6. Guzki na liściu lotosu mają do 20 mikrometrów (µm) wysokości. Wyraź tą wysokość w: a) nanometrach (nm), b) milimetrach (mm).
  7. Wyjaśnij własnymi słowami, co rozumiesz przez:
    • Hydrofobowy
    • Hydrofilowy
    • Napięcie powierzchniowe
    • Substancję zanieczyszczającą
    • Nieorganiczny

Można też skłonić uczniów do oceny ryzyka dla jednego albo obu ćwiczeń. W niektórych krajach kładzie się na to nacisk. Choć to nauczyciel powinien zapewnić ocenę ryzyka sądzi się, że jeśli uczniowie stworzą własne oceny ryzyka i sami przemyślą możliwe niebezpieczeństwa, będą prawdopodobnie dużo bardziej bezpieczni. Poniżej są zebrane sugerowane odpowiedzi, choć jakiekolwiek odpowiedzi alternatywne mogłyby zostać zaakceptowane. Prawdopodobieństwo wypadku może zmieniać się z wiekiem uczniów.


Sue Howarth, Wielkiej Brytanii




License

CC-BY-NC-SA