Волосатый скотч из лап геккона

Среди клейких материалов, созданных в подражание лапам геккона, появился ещё один, предназначенный специально для вертикальных поверхностей. Чем больше нагрузка, тем лучше новый «скотч» липнет, не позволяя себе и грузу соскользнуть со стены.

Геккон

Учёные из Университета Калифорнии в Беркли создали новый нелипкий клеящийся материал, который может выдержать существенный вес. В ходе создания нового «скотча» учёным удалось скопировать природные нанотехнологии геккона, благодаря которым ящерицы могут свободно перемещаться по стенам и потолкам.

Новый «скотч» легко приклеивается к поверхности и легко удаляется с нее. При этом чем тяжелее подвешенный предмет, тем больше контактная область клейкого материла, а значит, тем большее число специальных волокон оказываются задействованы, и тем сильнее этот своеобразный «скотч» удерживает груз. Когда предмет убирают, волокна распрямляются, и «скотч» можно легко удалить с поверхности.

Как заявляют сейчас учёные, «скотч» стал результатом многолетних наблюдений за передвижениями гекконов.

Секрет цепкости этих ящериц – использование межмолекулярных, так называемых ван-дер-ваальсовых сил

Силы Ван дер Ваальса – слабые силы межмолекулярного взаимодействия. Хотя феноменологическое уравнение Ван дер Ваальса проходится в школьном курсе термодинамики, теория соответствующих межмолекулярных сил (сил Ван дер Ваальса) очень сложна и основывается на квантовой механике. Силы Ван дер Ваальса являются силами притяжения на типичных межмолекулярных расстояниях в твёрдом веществе, превращаясь в силы отталкивания лишь на расстояниях порядка размеров молекул. Типичные значения энергии ван-дер-ваальсовых сил притяжения – от сотен до тысяч Дж/моль…

Как известно, лапки ящериц покрыты множеством волосков, которые соприкасаются со стеной по всей её очень неровной, в микроскопическом масштабе, поверхностью. Когда гекконы опускают лапу на какую-либо поверхность, расщепленные кончики волосков так плотно прилегают к ней, что начинают работать силы межмолекулярного взаимодействия. Обычно они крайне слабы, однако на микроскопических расстояниях ван-дер-ваальсовы связи оказываются очень сильными.

Вопрос в том, как приблизиться на такое расстояние. На самом деле мы не можем ходить по стенам только по той причине, что истинная площадь контакта подошвы со стеной очень невелика – две поверхности соприкасаются лишь выступающими вершинами своих неровностей. Крохотные волоски на кончиках лап позволяют геккону решить эту проблему, проникая в самые крохотные углубления и прикасаясь к микроскопическим вершинам.

При этом силы межмолекулярного взаимодействия исчезают, стоит лишь геккону потянуть лапку. Благодаря этому механизму ящерицы могут быстро перемещаться практически по любым поверхностям, будь то потолки или вертикальные стены.

Учёные попытались применить естественный механизм ящериц для создания нового материала. «Скотч» частично копирует подошву лапы геккона, поскольку состоит из миллионов маленьких полипропиленовых волокон длиной 15–20 микрометров и диаметром 0,6 микрометра. Один квадратный сантиметр материала, по словам учёных, содержит 42 миллиона волокон.

Секрет нового липкого материала – крохотные полипропиленовые волокна

Технология прилипания материала отлична от той, что используется в обычном скотче. Материал прилипает не под давлением, а при попытке скольжения вдоль поверхности: прочность связи возрастает за счет того, что волокна наклоняются, значительно увеличивая истинную площадь соприкосновения поверхности и материала.

В итоге сила сцепления оказывается небольшой, если «скотч» прилепить к поверхности безо всякой нагрузки, но по мере её увеличения эта сила будет только расти.

Уже первые эксперименты продемонстрировали: 2 квадратных сантиметра нового «скотча» могут легко удержать вес до 400 граммов, не отклеиваясь даже частично. Кроме того, новый «скотч» абсолютно не липкий, что также упрощает его использование.

По словам авторов исследования, за последние годы несколько команд учёных делали попытки создать материал, способный удерживать большой вес. Многие пытались создать подобные клеящиеся материалы в подражание гекконам, и даже достигли на этом поприще немалых успехов.

Тест «наногеккона» с 400-граммовой гирькой

В последнее время исследованием естественных механизмов прилипания гекконов занимаются многие учёные. Например, специалисты из Колледжа Льюиса и Кларка в американском штате Орегон измеряли силу, которая требуется геккону для отрыва волосков от поверхности, а также вычисляли каково соотношение этой силы и угла, под которым располагаются волоски.

Выяснилось, что волосок, располагающийся под углом 30 градусов к поверхности, соотносится с максимальной силой сопротивления, а волоски, расположенные под углом 90 градусов, позволяют легко отделяться от поверхности.

Итальянские исследователи из Политехнического института в Турине заявляли, что они трудятся над созданием специальных альпинистских перчаток и ботинок, которых позволят людям передвигаться по вертикальным стенам без дополнительного оборудования.

Наконец, биоинженеры из Северо-западного университета США скрестили способности геккона прилипать к сухой поверхности с клеящими способностями обитателя подводного мира – мидии. Новый материал под названием «геккель» (geckel = gecko + mussel) соединяет в себе свойства, обеспечивающие прилипание геккона и мидии, поэтому сильно и возобновляемо липнет как в воздушной, так и в водной среде.

Сфера применения этого изобретения не ограничивается альпинизмом – как заявляют авторы исследования, липкая лента, сделанная из «геккеля», возможно, заменит хирургические швы при стягивании ран или может использоваться в качестве водоустойчивого пластыря. Такой пластырь остается плотно приклеенным к коже во время принятия водных процедур и легко удаляется после заживления раны.

Кроме того, многие специалисты, экспериментировавшие с гекконами, переключились на других не менее цепких живых существ – древесных лягушек.

Отличие материала, созданного специалистами из Беркли, в том, что они учли не только возникающие ван-дер-ваальсовы силы, но и попытались использовать новые технологии прилипания материала. Таким образом, новый «скотч» не только позволяет удерживать значительный вес, но и может использоваться на строго вертикальных поверхностях без приложения больших усилий для «вжатия» в неё.

Это может пригодиться и промышленным альпинистам, моющим окна офисных небоскрёбов, и участникам разного рода конференций, вывешивающим постеры на стенде в фойе лекционного зала.

«Если бы геккон прилипал к стене только за счет силы трения, он мог бы легко упасть. Однако механизм геккона работает без потребности в силе, перпендикулярной поверхности, и ящерицы не падают», – провел аналогию один из авторов исследования, профессор электронной инженерии и информатики Рон Фиринг, который занимается разработкой синтетических материалов, работающих по принципу волокон гекконов, с 2000 года.

Новизна разработанного и в том, что по мере использования его «прилипучесть» не снижается, он не загрязняется сам и не загрязняет поверхности, к которым приклеивается.

Это вызвано тем, что волокна, резко наклоняющиеся во время использования материала, потом быстро выпрямляются – за счет этого цепкость материала не снижается, на поверхности не остается никаких остатков клеящего вещества (поскольку сам материал не содержит липких веществ), а «скотч» может использоваться многократно. Кроме того, поскольку «скотч» выполнен из твердых полимеров, а не из более мягких пластмасс, он не накапливает грязь с поверхностей после многоразового применения.

Впрочем, пока разработанный материал качественно работает только на гладких и чистых поверхностях, но учёные не собираются останавливаться на достигнутом. Сейчас профессор Фиринг и его коллеги разрабатывают аналогичный материал, который сможет приклеиваться к шероховатым и неровным поверхностям и будет обладать возможностью самоочистки.

Оксана Молчанова

http://www.gazeta.ru/…616460.shtml

Sliding-induced adhesion of stiff polymer microfibre arrays. I. Macroscale behaviour

http://dx.doi.org/…if.2007.1308

Очень интересные исследования. Причём, они имеют не только «фундаментальный», но и чисто прикладной характер. В своё время так же точно была изобретена другая «липучка» (небезызвестная «вел кро» – «воронья лапка»), которая теперь широко применяется не только в разного рода специальных областях, но и для чисто бытовых целей (к примеру, в одежде и обуви).