Человек-паук на нанотрубках

Лучше всех способности геккона имитируют углеродные нанотрубки

Прилипчивые материалы в подражание лапам геккона – не новость, однако лишь сейчас учёным удалось превзойти ящерицу в силе сухого сцепления с поверхностью. Углеродные нанотрубки и смекалистая модификация метода их осаждения на поверхности помогли реализовать подсмотренную у рептилии иерархическую структуру волосков.

Вряд ли разработчиками адгезионных материалов на основе лап ящерицы геккона двигала зависть, однако техника, похоже, дошла до того, что теперь уже и ящерица позавидует открытию американских ученых.

Разработка новых клейких материалов началась давно и не думает приходить к какому-то логичному завершению – количество технологических и бытовых задач, требующих что-то приклеить, прицепить, повесить или завернуть, растет с каждым днем. Однако до последнего времени в распоряжении самого разного круга профессионалов был только клей, скотч и двусторонний скотч.

Потребитель меж тем настойчиво требует на рынке материала, способного хорошо приклеиваться и так же хорошо отклеиваться от любой поверхности, использоваться неограниченное количество раз, не оставлять следов, не рваться, не пачкаться и быть недорогим.

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.

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.

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.

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.

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.

С результатами исследования можно ознакомиться в Journal of the Royal Society Interface.

Понимая, что смотрят куда-то не туда, ученые решили как следует осмотреться по сторонам и уже довольно давно обнаружили у себя под носом замечательную ящерку – геккона — обладающую способностью карабкаться по абсолютно гладким поверхностям.
Эту способность они и решили использовать при разработке нового многоразового адгезионного материала.

Выяснилось, что геккон своими уникальными способностями обязан волоскам, покрывающим лапки. Они имеют ветвистую структуру и заканчиваются тоненькими и длинными волосиками толщиной всего 0,2 микрометра. Благодаря последним лапки геккона развивают очень большую площадь соприкосновения с поверхностью, на которой вступают в действие силы межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Они-то и удерживают геккона на отвесной поверхности.

Скопировать лапы ящерки пытались уже не раз, использовались для этого и полимерные волокна, и клейкие наполнители. Однако главное создатели подобных материалов, судя по всему, разглядели лишь сейчас –

для «прилипучести» важны не количество или толщина волосков, а иерархичная структура упорядочения волокон от больших к маленьким.

Воссоздать её в своеобразном стиле удалось Чжуну Линь Вану из Дайтонского университета в форме макроматериала на основе углеродных нановолокон. Статья о проделанной его научной группой работе опубликована в Science.

Углеродные нановолокна давно напрашивались на применение в «гекконовых материалах» и по всем теоретическим расчетам должны были развивать сцепление с поверхностью не менее чем 500 ньютонов на квадратный сантиметр. Более того, эксперименты с помощью атомного сканирующего микроскопа, способные количественно оценить силу прилипания к поверхности гладкого стекла одной-единственной углеродной нанотрубки, подтвердили эти расчеты. Однако макроскопические материалы, созданные на основе массивов вертикально выстроенных углеродных нанотрубок, показали куда меньшую «прилипчивость».

Здесь стоит оговориться, что степень сцепления лап геккона и массивов углеродных нанотрубок различна в зависимости от прилагаемого к ним усилия. Если геккон тянет лапу перпендикулярно поверхности, то он практически не прилагает усилия для того, чтобы оторваться от стенки. Если же хоть небольшое усилие прилагается вдоль поверхности, лапа оказывается надежно сцепленной с опорой.

Секрет в том, что при нагрузке вдоль нормали волоски оказываются соединены с поверхностью только своими кончиками, что резко сокращает площадь контакта, следовательно, и величину Ван-дер-Ваальсового взаимодействия. При нагрузке, параллельной поверхности, волоски оказываются прижатыми к опоре вдоль своей длины, что значительно увеличивает степень межмолекулярного притяжения.

Для реализации подобных анизотропных свойств в нанотрубках Вану пришлось задуматься о методе получения иерархичной структуры углеродных ворсинок, аналогичной гекконовой.

Решение принес метод химического осаждения из газовой фазы. Такой метод уже давно и активно применяют для выращивания вертикально выстроенных углеродных нанотрубок. Он заключается в термическом разложении органического прекурсора над поверхностью подложки, на которой затем растут трубки и нановолокна. Оказалось, что если провести такой эксперимент при пониженном давлении, то первоначально очень толстые и жесткие трубки под конец синтеза заметно утончаются, начинают виться и куститься.

Потому, когда материал на основе таких нанотрубок приживается к поверхности, а затем к нему прилагается нагрузка вдоль поверхности, он способен развить усилие сцепления порядка ста ньютонов на квадратный сантиметр – это в три раза больше силы сцепления геконовых лап. Если же вы хотите оторвать материал от поверхности – просто потяните его в направлении нормали. В этом случае сила сцепления не превысит двадцати ньютонов. Это первый искусственный «гекконовый» материал, о применении которого ученые смогли высказаться более или менее серьезно.

Так, сухой адгезив может найти свое применение в космической индустрии – в условиях космического вакуума нет возможности использовать обычные смазочные материалы и привычные нам липкие покрытия, так как последние быстро испаряются и (или) не выдерживают агрессивно переменного температурного режима. Сухой адгезионный материал лишен подобных недостатков.

Еще одним немаловажным достоинством материала является электропроводность углеродных нанотрубок. По мнению Ванна,

это свойство позволяет использовать новый материал для соединения между собой элементов электрических схем.

Новый метод будет так же надежен, как и пайка, однако в этом случае можно будет обойтись без нагревания, во многих случаях опасного для полупроводниковых микросхем.

Сейчас команда химиков занимается полевыми испытаниями материала. Они исследуют влияние загрязнителей поверхности на долговременное функционирование адгезива и, вероятно, проводят расчеты – сколько такого материала понадобится, чтобы удержать вес молодого человека атлетического телосложения, из одежды носящего только обтягивающий красный костюм.