Skapar friktionsfria ytor med inspiration från naturen

Växter och djur har ofta en inbyggd energieffektivitet. Till exempel har fjärilsvingar och hajskinn mikroskopiska ytstrukturer som låter luft och vatten strömma med litet motstånd. Shervin Bagheri hämtar idéer från naturen för att kunna skapa datormodeller av energisnåla ytor till framtidens fordon.

Shervin Bagheri

Dr

Wallenberg Academy Fellow 2016

Lärosäte:
KTH

Forskningsområde:
Optimering av poroelastiska ytor

Så fort vi förflyttar oss i till exempel luft eller vatten så uppstår friktion, förklarar Shervin Bagheri.

– Det uppskattas att mer än tio procent av världens energiförbrukning går till att övervinna den här typen av motstånd. Vi vill kunna skräddarsy ytor som minskar friktionen, säger han och halar upp savojkål ur sin ryggsäck.

Han lägger en droppe vatten på ett savojkålsblad och lutar det lite. Droppen behåller sin sfäriska form och rullar lätt av. Precis som för sina studenter i strömningsfysik på KTH, förklarar Shervin Bagheri att om man tittar närmare på savojkålens yta så är den inte särskilt slät.

– Groparna vi ser på bladet är på millimeternivå. I mikroskop kan vi se ännu mindre strukturer. På ytan i de här små groparna finns det elastiska nanohår. Gropar och nanohår ger tillsammans en ytegenskap som är väldigt intressant.

Savojkål liksom hajskinn, fladdermöss- och fjärilsvingar, är bra exempel på en typ av lågfriktionsyta som ingen lyckats tillverka på konstgjord väg än. Shervin Bagheri vill försöka. Han utvecklar avancerade datormodeller för att skapa naturinspirerade ytor som får fluider som luft och vatten att strömma med mindre motstånd.

Valde forskningen

Shervin Bagheri är född i Iran och var nio år gammal när hans familj kom till Sverige. Han växte upp i Lund och intresset för naturvetenskap väcktes tidigt, mycket tack vare en biologilärare som gjorde starkt intryck. Efter civilingenjörsexamen i teknisk fysik vid Uppsala universitet stod han i ett vägskäl, bli forskare eller jobba i industrin.

– För mig är det viktigt att kunna påverka. Jag tänkte mycket på hur jag kunde göra det bäst. Till slut hamnade jag här på KTH och disputerade inom ämnet strömningsfysik.

Det var som postdoktor i Italien han stötte på biomimetik, det område där teknikutveckling inspireras av fenomen i naturen. Tillsamman med kollegorna vid universitetet i Genua gjorde han en fascinerande upptäckt.

– Tänk ett hårstrå som fästs bak på en kropp, som en boll med liten svans på. Sedan låter man den utsättas för ett flöde av till exempel vatten. När vi gjorde detta visade det sig att hårstrået på ett ganska dramatiskt sätt ändrade beteendet hos flödet runt kroppen, motståndet minskade. Vi kunde också skapa en lyftkraft eller sidokraft.

Tillbaka på KTH igen ville han fortsätta på samma spår.

– Biologiska organismers ytor har betydligt mer komplexa strukturer än de hårstrån vi studerat. Ofta är ytorna porösa och elastiska. Jag vill undersöka vad som händer om man har strömmande vätska eller gas över en sån poroelastisk yta.

Mångskaligt problem

Frågan hur porösa, hala och elastiska ytor och en strömmande fluid samverkar är intressant ur ett vetenskapligt perspektiv. Men kunskapen kan också ha stor betydelse för utvecklingen av ny energisnål teknik, betonar han.

­– Jag önskar att man redan i designprocessen ska kunna utgå från den typ av strömning materialet ska utsättas för, till exempel turbulens om det ska sitta på en bil eller ett turbinblad.

Shervin Bagheri ägnar sig framförallt åt att försöka modellera och beräkna flöden med hjälp av datorsimuleringar. Det är ett område man kommit långt på, säger han, men när det gäller ytor är det lite svårare.

– Ja, och det beror på att det är ett mångskaligt problem. Egenskaper på den lägsta storleksnivån i strukturen påverkar strömningen, exempelvis virvlar, som kan uppstå vid ytan. Den stora utmaningen för oss är att lyckas modellera egenskaper från nanonivå genom mikronivå vidare till den nivå som vi kan se med ögat.

I modellerna används data som tagits fram av biologer, målet är hitta de parametrar som ger de mest funktionella materialen.

– Vi har lyckats ta fram en väldigt noggrann modell av en porös och elastisk yta, och gränssnittet mellan ytan och en strömmande fluid. Det har tagit oss några år och varit en grundförutsättning för att kunna gå vidare. Det känns väldigt kul, så nu kliar det i fingrarna att ta nästa steg.

”En enormt rolig situation att befinna sig i. Anslaget gör att jag nu kan bedriva fri, oberoende och grundläggande forskning på ett långsiktigt sätt. Jag kan bygga upp en egen forskargrupp, lägga ihop pusselbitarna och fördela riskerna mellan olika projekt.”

Enkla experiment

I strömningsfysiklabbet görs enklare experiment för att testa hypoteserna. Här används håriga ytor som andra forskare på KTH har hjälpt till att tillverka med UV-litografi.

– Det kan också vara kemiskt behandlade ytor. Vi lägger en vattendroppe på ytan och ser hur den formas och sprider sig. Vi undersöker även hur strukturerna samverkar med vätskan.

Forskningen har ett femårigt stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Shervin Bagheri vill inte bara göra forskning av nyfikenhet.

– Sådan forskning behövs också. Men det vore nästan oansvarigt om jag som forskare inom teknikvetenskap inte försökte bidra till att nå klimat- och miljömålen. Ett sätt för mig att påverka är att använda strömningsfysik för att ta fram ny teknik som gör transporter, men också industriella processer, mer energieffektiva, säger han.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström