16.10.2010 00:10

Секреты ночных скалолазов

Среди всех ящериц наибольшее внимание ученых всегда привлекали гекконы, а точнее говоря, их поразительная способность лазить по абсолютно гладким поверхностям и не соскальзывать с них. Не так давно секрет их "липучести" был, наконец, разгадан. После чего инженеры разработали несколько вариантов "суперскотча", чья поверхность работает по принципу подушечек пальцев этой ночной ящерицы.

Фото: Фото: AP

Гекконы, которые могут за несколько секунд взобраться вверх по гладкой стене, с древних времен считались животными, наделенными волшебной силой. Эти маленькие подвижные существа умудряются даже бегать по потолку. До последнего времени биологи не понимали, каким образом им удается проделывать такие фокусы.

Гекконы (Gekkonidae) — достаточно распространенное в тропиках и субтропиках нашей планеты семейство ночных ящериц. Все его представители являются хищниками, поедающими мелких насекомых, пауков, ящериц и мышей. Преследуя добычу, гекконы могут взбираться по самым отвесным скалам, гладким стволам деревьев и даже по стеклу.

Большинство гекконов — животные некрупные (самые большие среди них достигают в длину 30 см). При этом они достаточно легкие и подвижные. Все это, безусловно, помогает им хорошо лазать, однако секрет "антигравитационности" гекконов кроется не только в этом.

Первоначально многие ученые считали, что ящерица при лазании выпускает из лапок специальный клей, с помощью которого и прилипает к поверхности. На эти мысли исследователей наводил тот факт, что если коснуться лапок геккона, то ощущение липкости действительно возникает. Но в XIX веке немецкий естествоиспытатель Брем опроверг эту теорию, не обнаружив на лапках ящерицы никакого клея, а также желез, его вырабатывающих.

"Липучесть" лапок геккона серьезно начали исследовать лишь в конце прошлого века. Ученые предлагали множество объяснений этого феномена: механический захват, проявление капиллярных сил, вакуумная присоска, электростатическое взаимодействие, универсальные ван-дер-ваальсовские силы. Именно последняя версия в итоге и оказалась правильной.

Все дело в уникальном устройстве лапок и пальцев геккона. На подушечках пальцев этой ящерицы расположено множество щетинок, и каждая из них заканчивается частоколом гибких ворсинок диаметром около 100нм. Вершинки волосков, имеющие форму треугольной лопаточки (как присоски детских стрел), и обеспечивают мгновенное прилипание лапки к любой поверхности. Эти микроволоски очень эластичны, поэтому могут изгибаться, приспосабливаясь к рельефу поверхности.

Фото: AP

С помощью электронного микроскопа ученые обнаружили, что длина несущих волоски щетинок на пальцах геккона составляет примерно 0,1 мм. Они покрывают подушечки пальцев и весьма плотными рядами, образуя настоящий частокол — до 14 400 щетинок на 1 мм². Каждая щетинка на конце расходится на 400-1000 ответвлений — это и есть те самые ворсинки с лопаточками шириной 0,2 мкм.

Получается, что каждый квадратный сантиметр лапки геккона касается поверхности примерно двумя миллиардами окончаний. При этом между лопаточками ворсинок и поверхностью возникает слабое межмолекулярное (ван-дер-ваальсовское) взаимодействие.

Подобное взаимодействие осуществляется между молекулами, являющимися постоянными диполями (то есть имеющими на одном конце отрицательный заряд, а на другом — положительный). Как показывает практика, диполи присутствуют в любом веществе, в том числе и в стекле. В волосках на пальцах геккона подобные молекулы также имеются.

Когда два диполя (с поверхности и из волоска) встречаются друг с другом, то между ними возникает взаимное притяжение. Поскольку волосков на пальцах ящерицы — миллиарды, то суммарное межмолекулярное взаимодействие и обеспечивает то самое "мертвое"прилипаниелапкикповерхности.

А вот для того, что бы открепиться, геккону достаточно лишь чуть изменять угол между ворсинками и поверхностью (именно от угла сцепления зависит сила притяжения диполей) — взаимодействие между диполями сразу прекратится и конечность "отлипнет". При этом лапа отлипает от поверхности так же быстро, как и приклеивается (за 0,15 секунды), поэтому-то ящерица и может бегать по стеклу или отвесной скале с огромной скоростью (до 50 км/ч).

Ученые подсчитали, что каждая щетинка может выдержать вес всего лишь вес муравья, однако миллион таких щетинок, сосредоточенный на площади 10-копеечной монеты, сможет удержать в воздухе 18-килограммового ребенка. Ну, а вес, который могут удержать все щетинки геккона при одновременном использовании, составляет один центнер!

После того, как биологи выяснили механизм перемещения гекконов, инженеры сразу же принялись разрабатывать прилипающие устройства (адгезивы) и новые полимерные изделия, используя открытие коллег. Андре Тайм из Манчестерского университета (Великобритания) и российские ученые из Института микроэлектронной технологии (Черноголовка) изготовили по принципу лапки геккона самоочищающуюся ленту, из материала, называющегося "каптон" (полимер из органических веществ амидов).

Эта лента толщиной в 5 мкм, на поверхности которой прикреплены волокна длиной 2 мкм и диаметром 500 нм, может, прилепившись к стеклу площадью 0,5 см², выдержать груз в 100 г. Правда, прилипает-то она хорошо, но только один-два раза, после чего липкость ее, к сожалению, пропадает. Сейчас исследователи думают над тем, как бы устранить эту проблему.

Фото: AP

По другому пути пошли технологи из университета Калифорнии (Беркли, США). Они также разработали липкий адгезивный материал, способный выдерживать значительный вес. Это полипропиленовый полимер, один квадратный сантиметр которого содержит 42 миллиона волокон длиной 15-20 мкм и диаметром 600 нм.

Механизм прилипания такого материала совершенно иной, чем у обычного скотча. Он приклеивается не под давлением, а при попытке скольжения вдоль поверхности (собственно говоря, как и лапка геккона). Волокна изгибаются, увеличивается площадь контакта липкого материала с поверхностью, в результате возрастает и прочность связи.

Если такой "скотч" прикрепить к поверхности без нагрузки, то сила сцепления будет незначительной, но чем больше нагрузка, тем больше сила сцепления. Сегодня 2 см² такого адгезива могут удерживать 400 г веса. Однако, как показывают эксперименты, подобная "липучка" может работать только на чистых и идеально гладких поверхностях.

А вот ученым из фирмы "NanoSys" (Пало-Альто, США) удалось разработать технологию получения еще одного материала, на поверхности которого расположены чудесные линучие волоски. Эта чудо-лента обладала даже более высокой способностью прилипать, чем пальцы геккона, и ей нипочем были микронеровности, грязь, пыль и капли воды. Изобретением даже сперва заинтересовался Пентагон, но из-за дороговизны технологии этот адгезивный материал пока не нашел практического применения.

Исследователи убеждены, что если удастся создать материал, работающий по принципу лапки геккона, то его можно будет использовать при изготовлении подметок для обуви альпинистов, космонавтов, рабочих-высотников, а также вратарских перчаток и суперскотчей. Все эти "гекконовые" товары наверняка будут пользоваться широким спросом. Дело лишь за малым — искусственно воспроизвести достижения эволюционного процесса, который примерно 100 миллионов лет назад снабдил гекконов их уникальными лапками.

Читайте также в рубрике "Наука и техника"