Biomimetica: lipicioasa ca o caracatita sau neteda ca o frunza de lotus? Teach article

Tradus de Bold Adina, Mihalcea Cosmina, Serban Maria, Smeu Anita, Gabriela Badea, Colegiul National Ion Luca Caragiale-Bucuresti. Astrid Wonisch, Margit Delefant si Marlene Rau prezinta doua activitati elaborate de proiectul austriac “Stiintele naturii si tehnica palpabila” pentru a vedea…

Ventuza unei caracatite
Pentru imagine, multumim
chang / iStockphoto

In 2004, Alice Pietsch de la Universitatea Educarii Profesorilor Styria, Austria, a fost inspirata de o simpla, dar foarte vizibila demonstratie la muzeul de stiinta. Un profesor pensionar folosea un burduf pentru a pompa aer in plamanii unei oi, umflandu-i si dezumflandu-i ritmat. Aglomeratia formata in jurul lui era mai mare decat cea din jurul unor exponate high-tech –ceea ce a impulsionat-o pe Alice sa creeze un muzeu interactiv de stiinta.

In 2008, visul ei a devenit realitate. Peste 5 luni, elevi de toate varstele de la Styria au elaborat 50 de activitati diferite pentru ceilalti elevi. Experimentul “Stiintele naturii si tehnologia palpabila” a ocupat un loc la Casa stiintei din Graz, Austria, unde studentii si profesorii lor au ajutat vizitatorii cu fiecare activitate. A fost un mare succes.

Proprietatile hidrofobe ale
unei frunze de lotus

Pentru imagine, multumim
tanakawho; sursa: Flickr

Majoritatea activitatilor din experiment sunt potrivite si pentru stiinta in sala de clasa; aici prezentam doua activitati despre biomimetica- aplicatia principiilor din natura pentru inginerie si tehnologie. Velcro, care imita semintele incovoiate de brusture si carena care imita pielea groasa a delfinilor sunt exemple comune. Activitatile urmatoare investigheaza absorbtia ventuzelor si superhidrofobia, amandoua observabile in natura. Activitatile au fost elaborate pentru elevii de la scoala secundara (varsta 10-15), dar poate fi usor adaptata pentru studenti de practic orice varsta si sunt o buna ocazie pentru integrarea fizicii, chimiei si biologiei. Depinzand de nivelul de detaliu la care se ajunge, activitatile pot dura oricat, de la cinci minute, pana la mai mult de o ora.

Intreaga colectie a activitatilor din experiment este disponibila la Birgit Muhr (birgit.muhr@phst.at) printata in germana, pentru 19 € plus timbru.

Aderenta pe suprafete plate: presiunea negativa

Ventuzele de uz casnic au fost inspirate de talpile broastelor de copaci si de tentaculele caracatitelor, a caror putere de aderenta era deja cunoscuta de grecii antici.

O broasca de copac
Pentru imagine, multumim
Nickodemo; sursae: Flickr

Noi folosim aceste ventuze pe suprafete plate- pentru a atasa carlige pe gresia din baie sau pentru a face aparatele din bucatarie mai stabile, si pe saltelele de cauciuc de la dus sau pe sagetile de jucarie. Dar de ce se lipesc?

Daca te uiti la partea lipicoasa de aproape, o sa poti observa ca este putin curbata. Ar putea fi aceasta curbura importanta pentru puterea de adeziune a ventuzei? Si de ce este nevoie sa uzi ventuza inainte folosirii? Hai sa investigam.

Materiale

  • 4 ventuze (fii sigur ca poti sa atasezi un snur la ele)
  • Un mic fierastrau pentru traforaj
Un fierastrau
Pentru imagine, multumim
EddWestmacott / iStockphoto
  • Un stalp de 50 de cm, in jur de 3-4 cm diametru (studentii trebuie sa fie capabili sa-l invaluie cu degetele lor)
  • Patru bucati de 50 cm de sfoara tare
  • O foarfeca
  • O placa de plastic (in jur de 1 x 1m)
  • Un marker permanent

Procedura

  1. Folosind fierastraul pentru traforaj, faceti patru santuri echidistante in stalp.
  2. Legati o bucata de sfoara pe cele patru sectiuni.
  3. Fiti siguri ca cele patru bucati de sfoara au exact aceeasi lungime.
Setarea activitatii de
adeziune. La alegere, pot fi
utilizate o singura ventuza si
o bucata scurta de lemn (vezi
imaginea din spate)

Pentru imagine, multumim
PHSt Archiv
  1. Puneti placa de plastic pe podea si folositi markerul permanent pentru a desena patru cercuri pentru ventuze in linie dreapta. Pe cealalta parte a liniei desenati o urma
  2. Apasati ventuzele in cele patru cercuri.
  3. Repetati experimentul, udand ventuzele inainte de a le lipi pe placa de plastic
  4. Stati pe urma piciorului si incercati sa trageti ventuzele de pe plastic apasand suportul vertical.
  5. Ce se intampla cu curbura ventuzelor cand ele sunt lipite de placa de plastic?

Discutie

Atunci cand apasati ventuza pe marginea de plastic, produceti reducerea curburii ventuzei, reducand astfel spatiul dintre ventuza si suprafata si facand astfel incat o parte din aerul dintre ventuza si suprafata sa iasa. Atunci cand nu mai apasati, ventuza de plastic are tendinta sa revina la forma sa curbata initiala. Volumul din cavitatea dintre ventuza si margine creste din nou, dar acum cantitatea de aer din interior este mai mica, si deci presiunea interioara este mai mica. Presiunea atmosferica mai mare in exterior este aceea care mentine ventuza lipita pe suprafata.

Poti sa calculezi forta de aderenta a unei ventuze astfel:

F=AP, unde F este forta, A este aria si P este presiunea.

Aria va fi πr2 unde r este raza ventuzei. Presiunea din cavitatea aflata intre ventuza si plansa este neglijabila cand este comparata cu presiunea atmosferica care este de aproximativ 100.000 Pa. Deci:

F = πr2 (100 000 Pa)

Timpul care ii este necesar ventuzei sa se dezlipeasca singura (fara a adauga alte forte) depinde de cat de poroasa si cat de plata sunt marginea ventuzei si suprafata de dedesubtul acesteia, aceasta determinand cat de repede revine aerul inauntru si echilibreaza presiunea.

Apa, saliva si alte lichide sigileaza foarte bine ventuza facadu-o etansa si asigurand intrarea aerului mai greu inauntru. Drept urmare, ai nevoie de mai multa putere pentru a trage ventuzele daca le-ai umezit inainte de a le aplica pe o suprafata.

Efectele auto-curatarii : hidrofobia in natura

Gandacul de balegar ramane
curat chiar si atunci cand se
afla in locul lui preferat

Pentru imagine, multumim
vendys / iStockphoto

Natura are cativa obsedati de curatenie: gandacii de balegar ies curati din balegarul de vaca, rar gasesti un fluture sau o libelula murdara, iar unele plante sunt foarte pricepute la a elimina murdaria de pe ele. Lotusul Indian, de exemplu, creste in ape mlastinoase si totusi murdaria nu se lipeste de frunzele lui. De fapt in budism lotusul este simbolul puritatii. Poti sa gasesti acest efect al lotusului si aproape de casa ta . Frunzele si florile de caltunas arata atat de curate incat ai putea sa le mananci fara sa le mai speli (clateste-le totusi pentru orice eventualitate). Oare cum reusesc aceasta fara sapun?

Oamenii au reprodus acest efect de auto-curatare in multe scopuri cum ar fi auto-curatarea plasticelor, a lacurilor pentru tigle, a geamurilor, ceramicii, lemnului, lacurilor pentru masini si vopselei pentru fatade. De asemenea se pot crea si haine rezistente la murdarie prin impregnarea lor cu un spray special.

Cum functioneaza? Hai sa aflam.

Materiale

  • Parti din diferite plante cu proprietati de auto-curatare cum ar fi frunzele de caltunas (Tropaelum majus), frunzele de lotus (Nelumbo nucifera), de varza (Brassica oleracea), si frunzele de lalea (tulippa spp.)
  • Unele parti ale plantelor cu frunze hidrofile cum sunt frunzele comune de fag (Fagus Sylvatica) sau magnolia (Magnolia Grandiflora)
  • Apa, miere lichida si/sau lipici lichid
  • O pipeta sau un bec pasteur si niste linguri mici
  • Ketchup, scortisoara si praf de curry
  • Ziare, rola de prosop de hartie si textile
  • Spray pentru impregnare (de exemplu pentru rezistenta la apa a pielii de caprioara), vopsea de fatada cu auto-curatare, lac pentru lemn si sticla
  • Optional: o tigla de acoperis sigilata

Procedura

  1. Uda plantele care au auto-curatare cu apa, cu miere sau lipici si acopera-le cu ketchup, scortisoara sau praf de curry (pentru a simula murdaria). Ce observi ?
  2. Repeta experimentul cu frunzele hidrofile. Ce observi?
  3. Acum observa proprietatile de auto-curatare a materialelor artificiale. Sprayuri pentru textile, rola de hartie si ziar cu diferite tratamente cu sigilare nano (exemplu: spray impregnant vopsea sau strat de acoperire nano). Compara efectul aceluiasi tratament pe diferite materiale sau diferite tratamente pe acelasi tip de material.
  4. Folosestele pe acestea si alte materiale cu nano-straturi (exemplu: dale) pentru a repeta experimental, udandu-le si uscandu-le. Ce observi?

 

Nota de siguranta

Unii studenti pot fi alergici la anumite plante sau anumite parti ale plantelor, cum este polenul. Cand folositi acoperirea nano, sprayul pentru impregnat,etc , cititi cu atentie instructiunile de pe spate. Este posibil sa fie nevoie sa lucrati cu manusi sau intr-un spatiu bine aerisit. Vedeti si nota generala de siguranta.

 

Scanand imaginile la
microscopul electronic, la
maririle de 300x (sus), 2500x
(mijloc), 3000x (jos) se vad
structurile de ceara de pe
suprafata unei frunze de
orez, similare celor de pe
caltunas sau frunzele de
lotus. Prima imagine ne arata
proeminentele ceroase de pe
stomata, a doua imagine ne
arata stomata inchisa, si a
3-a imagine ne arata
suprafata papilata a frunzei
si detaliile fine ale
structurilor de ceara

Pentru imagini, multumim
Sarah Perfect / Syngenta

Discutie

Daca picuri apa sau miere pe o frunza de lotus, se va scurge foarte repede.O privire mai atenta sub un microscop electronic iti arata de ce: mari cantitati de ceara subtire acopera umfaturile de la suprafata frunzei. Aceste umflaturi au aproximativ 10-20 μm inaltime si 10-15 μm distanta una fata de cealalta.

Unghiul de contact Θ al unei
picături de apă pe o
suprafata

Imagine a domeniului public;
sursa: Wikimedia Commons

Cum ajuta aceasta structura frunza de lotus sa ramana curata? In primul rand suprafata frunzei de lotus este hidrofoba (respinge apa). Hidrofobia unei suprafete poate fi cuantificata ca si unghiul de contact dintre suprafata si picatura de apa: cu cat unghiul de contact este mai mare, cu atat suprafata este mai hidrofila (vezi imaginea din dreapta). Suprafetele cu un unghi de contact mai mic de 90° sunt numite hidrofile (iubitoare de apa), cele cu un unghi de contact mai mare de 90°, sunt hidrofobe. Unele plante care sunt cunoscute ca super-hidrofobe ating unghiuri de contact de 160°, cu doar 2-3% din suprafata picaturii in contact cu suprafata frunzei. Totusi suprafata frunzei de lotus nu este doar super-hidrofobica ci si acoperita cu umflaturi cerate cum este mentionat mai sus. Acestea reduc suplimentar suprafata de contact a apei picurate cu rezultatul ca picatura abia daca atinge frunza (doar 0.6% suprafata de contact) si se scurge usor.

Picături de lichid pe o
suprafaţă, care demonstreaza
nivelurile diferite de
hidrofobie

Pentru imagine, multumim
MesserWoland; sursa:
Wikimedia Commons

Am vazut cum se scurge apa, dar cum scapa frunzele de particulele de murdarie ? Plantele sunt expuse la o varietate mare de poluanti, majoritatea anorganici (praf sau funingine) desi unii au origini biologice (exemplu: spori de ciuperci, conidii, picaturi de miere sau alge). Pe frunzele care nu se impregneaza cum sunt de exemplu cele de lotus, nu este redusa doar aderenta apei – murdaria este pur si simplu spalata de apa. Acest lucru nu este atat de evident precum pare. Exista 2 feluri de particule de murdarie– cele hidrofile si cele hidrofobe. Particulele hidrofile cum ar fi de exemplu namolul sunt absorbite in picaturile de apa si nu pot scapa. O urma este vizibila acolo unde apa a spalat particulele de pe frunza.

Pe o suprafata hidrofoba, o
picatura ar fi aproape sferica
si ar avea un unghi de
contact contact foarte scazut

Imagine a domeniului public;
sursae: Wikimedia Commons

Dar cum ramane cu particulele hidrofobe? Te poti astepta ca ele sa ramana lipite de suprafata hidrofoba a frunzei, dar de fapt o picatura de apa le va elimina si pe acestea. Cum se intampla acest lucru? Particulele ating doar varfurile din afara structurii de ceara si intrucat suprafata de contact este mica, tot asa sunt si fortele de adeziune dintre particule si frunza. Fortele sunt atat de slabe incat si pana si micile forte de adeziune dintre particula rezistenta la apa si cea de apa sunt mai puternice. Deci spre deosebire de particula hidrofila care este cuprinsa intr-o picatura, particula hidrofoba se lipeste de suprafata picaturii, efectul final este acelasi: planta este curatata.

Superhidrofobia nu se limiteaza doar la plantele de lotus: alte plante au proprietati de auto-curatare datorita stratului de par care le acopera frunzele, aripile fluturilor au firisoare subtiri care directioneaza picaturile de ploaie de pe corpul insectei, indiferent ca aripa este ridicata sau nu, si cuticula insectelor de balegar are forme geometrice in relief care le face hidrofobe.

Imagine marita a aripii unui
fluture

Pentru imagine, multumim
Sebastian; sursae: Flickr

Care este avantajul acestor suprafete auto-curatatoare? Pentru plantele sedentare, este un mod de a se proteja de micro-organisme, cum ar fi cipercile, bacteriile sau algele. Majoritatea plantelor lupta impotriva acestor inamici chimici cu un al doilea metabolism, dar prevenirea instalarii lor initiale este chiar mai eficienta. In plus, daca frunzele sunt acoperite de murdarie, se reduce suprafata disponibila pentru fotosinteza. Aripile auto-curatatoare ale fluturelui au avantajul de a nu retine apa si de a nu deveni grele, ceea ce ar impiedica insecta sa zboare.

Oamenii au dezvoltat mai multe tipuri de tehnologii care folosesc aceste efecte hidrofobe. Spray-urile pentru impregnare, de exemplu, acopera materialul cu un strat de ceara care il face hidrofob. Cateva pelicule de culori merg chiar mai departe, formand o usoara zona de protectie chiar si cand se usuca. Aceste zone de protectie sunt hidrofuge ca si structurile de ceara de lotus, cu rezultatul ca suprafata de pictat devine superhidrofoba.

Imagine obtinuta prin
scanare cu microscopul
electronic de baleiaj a
solzilor care formeaza
suprafata aripii
fluturelui-Paun (Peacock)
(marire X50)

Pentru imagine, multumim
SecretDisc; sursae: Wikimedia
Commons

Mulțumiri

Cele două activităţi din acest articol au fost realizate în cadrul unui atelier de lucru condus de Astrid Wonisch pentru studenţii din Graz Karl-Franzens-Universität care erau pregatiti pentru a deveni profesori de biologie, şi incluse în expoziţia 2008 Naturwissenschaft und Technik Zum Angreifen.

Studentii la biologie Steffen Böhm şi Karin Edlinger au lucrat impreuna cu elevi combinati din clasa a 7-a şi clasa a 8-a (în vârstă de 17-19 ani) la clasa de biomimetica de la BG / BRG Petersgasse, Graz, o şcoală secundară, cu concentrare asupra stiintei si matematicii, şi cu Renate Rovan şi Ruth Unger de la şcoala de profesori de biologie, pe „Adeziunea pe suprafete plane: presiune negativă”.

Studentii la biologie Anna Freudenschuss şi Fuchs Ingo au lucrat împreună cu elevi de la o clasa a 4-a (cu vârste între 14-15 ani), la clasa de gimnaziu BG / BrG Fürstenfeld, Fürstenfeld, pe „Efectele de auto-curatare: hidrofobia în natură” .

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Pentru a afla mai multe despre Universitatea de Educatie a Profesorilor din Styria vedeti: www.phst.at

Resources

Author(s)

Dr Astrid Wonish preda fiziologia plantelor la Karl-Franzens-Univarsität Granz, Austria. Ea este directoarea centrului didactic universitar pentru biologia si stiinta mediului si lucreaza cu studentii care sunt pregatiti pentru a deveni profesori de biologie.

Margit Delefant este directoarea adjuncta a centrului regional didactic pentru biologie si stiinta mediului in Styria, Austria. Ea isi imparte timpul intre predarea la scoala secundara BG / BRG Fürstenfeld si la Karl-Franzens-Universität Graz, unde preda viitorilor profesori de biologie.

Dr. Marlene Rau s-a născut în Germania şi a crescut în Spania. După ce a obţinut un doctorat în biologia de dezvoltare la Laboratorul European de Biologie Molecular din Heidelberg, Germania, a studiat jurnalismul şi a intrat în comunicarea ştiinţifică. Din 2008, ea a fost unul dintre editori ai revistei Science in School.


Review

Daţi-i drumul la treabă! Sau, mai degrabă, acordaţi elevilor oportunitatea de a se lansa in activităţile descrise in articol.

Caracterul aderent al tălpilor brotacului şi al tentaculelor caracatiţei indeamnă studenţii să exploreze cum funcţionează acest mecanism prin folosirea tampoanelor de absorbţie. Studenţii mai tineri se vor bucura să deseneze in jurul tălpilor lor şi de zgomotele făcute de aceste tampoane de absorbţie pe măsură ce acestea fac un zgomot asemănător ‘sorbitului cu zgomot’ atunci cand sunt indepărtate. Studenţii mai mari pot aprecia elementele de fizică şi explica ce se intamplă folosind calculele.

Adezivitatea mierii işi face apariţia in a doua activitate, impreună cu ketchup-ul, scorţişoara şi pudra curry – ce student nu s-ar bucura să fie lăsat singur cu aceste ingrediente? Cercetarea frunzelor neaderente de lotus şi de Condurul Doamnei conduc la investigarea noilor lichide de auto-curăţare. Aceasta poate duce la unele dezbateri interesante, precum şi la lucrări practice care pot merge de la sarcini simple pentru studenţii tineri (rostogolirea apei de pe frunze) pană la lucrări complexe pentru studenţii mai mari, lucrul cu spray-urile şi folosirea scanării microscopice electronice pentru a explica fenomenele .

Prima activitate se refera la fizica (presiunea), iar a doua activitate la chimie (interacţiunea suprafeţelor), amandouă conectandu-se cu biologia, cu ideea că natura a ajuns prima acolo – unde poate fi dusă mai departe şi investigată de către studenţi. Dacă se folosesc diferite varietăţi de frunze pentru investigaţii, se poate introduce şi taxonomia.

Mai jos sunt cateva sugestii pentru a formula intrebări pe care le puteţi adresa studenţilor dumneavoastră după efectuarea acestor activităţi:

  1. Desenaţi o diagramă care să arate un tampon de absorbţie inainte şi după ce a fost impins pe o suprafaţă. Marcaţi-l pentru a arăta zonele de presiune crescută, joasă şi egală.
  2. Articolul vă reaminteşte că forţa = aria x presiunea. Aceasta relatie poate fi folosită pentru a calcula forţa de absorbţie a unui astfel de tampon de absorbţie. Vă puteţi gandi la alte contexte in care poate fi folosită această ecuaţie?
  3. Este foarte supărător (şi zgomotos) atunci cand o tăviţă de duş ataşată de un perete acoperit cu gresie prin tampoane de absorbţie cade pe jos. Explicaţi ce poate face ca tampoanele de absorbţie (ventuzele) să „eşueze” şi să cauzeze căderea.
  4. Articolul menţionează că „gandacii de bălegar se tarăsc afară din depozitul de bălegar”. Ce pot face oare gandacii de bălegar inauntrul depozitelor de bălegar şi de ce oare s-ar tara in afara lor? S-ar putea ca acest lucru să necesite ceva muncă de cercetare!
  5. In a doua discuţie principală s-a menţionat un microscop electronic cu baleiaj. Ce este un microscop electronic cu baleiaj? Cum diferă acesta de un microscop electronic cu transmisie?
  6. Umflăturile de pe o frunză de lotus sunt cu pană la 20 micrometri (µm) mai inalte. Exprimaţi această inălţime in a) nanometri (nm) şi b) milimetri (mm).
  7. Explica, cu cuvintele tale, ce se intelege prin:
    • Hidrofob
    • Hidrofil
    • Tensiunea superficiala
    • Poluant
    • Anorganic

Aţi putea de asemenea să puneţi studenţii să efectueze o evaluare a riscurilor pentru una sau ambele activităţi. Deşi este rolul profesorului de a furniza o evaluare a riscurilor, se consideră că dacă elevii sunt implicaţi în crearea propriile evaluări ale riscului, sunt susceptibili de a fi mult mai in siguranţă intrucat ei înşişi au evaluat in profunzime pericolele. Mai jos sunt sugerate câteva răspunsuri, deşi orice răspuns valabil sau răspunsuri alternative ar putea fi acceptate. Pentru unele activităţi, probabilitatea de incidente poate varia în funcţie de vârsta elevilor.


Sue Howarth, UK




License

CC-BY-NC-SA