Суперлипкие наноматериалы для человека-паука. Ученые работают над материалами с уникальными адгезивными свойствами

Регистрация | Забыли свой пароль?
27.05.2010

Доктор технических наук Герман Евсеевич Кричевский, член Центрального правления Нанотехнологического общества России.

"В конечном счете, то, что мы хотели бы иметь, - это материал, обладающий высоким коэффициентом трения и способный, в сочетании с определенными движениями, одновременно достигать и эффекта прилипания", - сказала Кармэль Маджиди, аспирант Калифорнийского университета в области электротехники и вычислительной техники.

Однако, практическое применение такого микроволокна еще предстоит найти. Высокий коэффициент трения и низкий коэффициент прилипания – самые желаемые особенности такой продукции, как подошвы обуви, автомобильные шины и разнообразное спортивное оборудование. Для их производства сейчас используются мягкие материалы – такие, как каучук. Но исследователи отмечают, что жесткий полимер, вероятно, мог бы обладать большей сопротивляемостью высоким температурам и изнашиваться меньше, чем каучук.

Кроме того, каучук с высоким коэффициентом трения имеет тенденцию становиться "липким", сказал Фиринг. " Полипропиленовое микроволокно – это новый класс материалов, которые имеют свойства каучука без «прилипания»".

Миллионы лет тому назад природа придумала нанотехнологии. Собственно вся живая природа основана на бионанотехнологии, доведенной до такого уровня целесообразности, функциональности и одновременно чрезвычайной сложности и простоты, что человеку пока не удается ее превзойти.

Один из таких феноменов - маленькая ящерица из семейства Гекконов, которая населяет землю более 50 млн. лет. Она удивляла еще наших далеких предков способностью быстро (1 м/с) и ловко передвигаться по вертикальным и верхним горизонтальным поверхностям (потолку). При такой маневренности и скорости, большинству врагов Геккон недоступен. Издревле его еще называли цепколапым. Надо отметить, что эти ящерки умеют бегать по шероховатым и гладким вертикалям и потолкам. Но, правда, только в том случае, если их поверхность сухая. Ученые нашли этому объяснение и теперь, разгадав механизм суперприлипаемости лапок, строят планы по созданию предметов специального назначения (обувь, перчатки...). Например, такие материалы могли бы удерживать на вертикальных и потолочных плоскостях значительные грузы - как маленький Геккон, который сам весит 50 г, а может удерживать вес 2 кг (в 40 раз превышающий собственный).

Над загадкой Геккона задумывался еще Аристотель (IV век до н.э.). Первоначально многие ученые считали, что Геккон выпускает из лапок специальный клей, с помощью которого он и прилипает к поверхности. Если коснуться лапок Геккона, то некоторое ощущение липкости действительно возникает, но ее природа совершенно иная. В свое время еще великий немецкий естествоиспытатель Брем опроверг «клейкую» теорию, не обнаружив на лапках никакого клея.

Систематически это явление начали изучать в конце прошлого века. Ученые предложили довольно много объяснений суперлипкости Геккона: механический захват; проявление капиллярных сил; вакуумная присоска; электростатическое взаимодействие; универсальные вандерваальсовые силы межмолекулярного взаимодействия. В начале XXI века биологи и химики из нескольких лабораторий университетов США однозначно показали (микроскопия высокого разрешения) и доказали (расчеты), что причина сверхлипучести пальцев лапок Гекконов - в известных каждому химику и физику вандерваальсовых силах межмолекулярного взаимодействия.

Все дело в уникальном устройстве лапок и пальцев Геккона. На подушечках пальцев этой ящерицы расположено множество щетинок, а каждая щетинка заканчивается частоколом гибких ворсинок диаметром ~ 100 нм - настоящая природная бионанотехнология. Вершинки волосков имеют форму треугольной лопаточки (как присоски детских стрел), они то и прикрепляются мгновенно к любой поверхности. Волоски-присоски очень эластичные, поэтому могут изгибаться и приспосабливаться к рельефу и топографии поверхности.

С помощью электронного микроскопа ученые изучили лапки Геккона и обнаружили, что щетинки на пальцах имеют длину ~ 100 мкм (0,1 миллиметра), и размещены они как плотный частокол - до 14400 щетинок на 1 мм2.

Каждая щетинка на конце расходится на 400-1000 ответвлений это и есть те ворсинки, о которых шла речь. Лопаточки на конце имеют ширину 0,2 мкм. Получается, что каждая лапка Геккона с площадью контакта ~ 1 см2, может прикасаться к поверхности ~ 2 млрд. окончаниями. Поэтому слабое межмолекулярное вандерваальсово взаимодействие, которое проявляется между одной присоской и поверхностью, надо умножить на 2 млрд. Вот и получается прилипание намертво - с природой действительно трудно соревноваться.

Надо отметить, что ящерица Геккон не только прилипает, но и легко отлипает от любой поверхности. И это происходит благодаря тому, что она может изменять угол между ворсинками и поверхностью, а от угла сцепления зависит его сила. Лапа отлипает от поверхности также быстро (~ 15 раз в секунду), как и прицепляется, именно поэтому ящерица может бегать так быстро.

У пальцев, щетинок и волосков-присосок есть еще одна особенность – они способны самоочищаться. Это свойство весьма распространено в природе, и эталоном чистоты здесь служит лист лотоса, который отталкивает от своей поверхности любые жидкости, а от грязи избавляется во время дождя. В основе этого свойства супергидрофобности и самоочистки - наношероховатая поверхность листа, перьев или волосков.

Сегодня доказано, что вандерваальсовые силы межмолекулярного сцепления работают не только у Гекконов, но и у многих насекомых (пауков, жучков, мух и др.). У них на лапках тоже обнаружили нановорсинки, они оказались еще меньшего (до ~ 1нм) диаметра, чем у Геккона. В результате сила сцепления паука с вертикальными стенками еще больше - он может удерживать груз, в 170 раз превышающий собственный вес. Если бы этим свойством обладал человека весом 80 кг, то он смог бы удерживать вес примерно 13,5 тонн.

Известно, что вандерваальсовы силы – это слабые силы (~3-4 кДж/моль). Они слабее водородных, ионных, ковалентных, координационных, донорно-акцепторных. Но зато они универсальны и проявляются на очень малых (нанометровых) расстояниях. Поэтому складываясь, эти силы дают очень высокую энергию сцепления. Полимерщики знают, что эти же силы лежат в основе взаимодействия макромолекул твердого полимера и определяют его прочность на разрыв.

Ученые посчитали, что одна щетинка на лапке Геккона сцепляется с поверхностью с силой ~ 200 мкН. Общее количество щетинок на лапке - 6,5х106, что соответствует работе отрыва 1300Н. Чтобы удержать ящерицу на вертикальной поверхности хватит всего 2000 щетинок на одной лапке, то есть меньше 0,04% от того что есть. Остальные 99,06% – это, видимо, резерв для нештатных ситуаций.

Как это всегда бывает, ученые, выяснив механизм перемещения ящериц семейства Геккон вверх ногами, бросились создавать устройства, адгезивы и новые полимерные изделия, используя этот же принцип нанощетинистой лапки. Есть интересные результаты, но они еще пока не Геккон. В принципе устройства, сделанные по этому принципу – например, обувь для альпинистов, космонавтов, рабочих-высотников, вратарские перчатки, роботы для работы в открытом космосе и др., - будут очень широко востребованы.

Какие же ученые супернаноадгезивы получили, и как их можно употребить на практике?

Например Андре Тайм из Манчестерского университета (Великобритания) и ученые из института Микроэлектронной технологии (Черноголовка) изготовили по принципам лапки Геккона самоочищающуюся полиамидную ленту, которая при контакте с поверхностью стекла площадью 0,5 см2 выдерживает груз в 100 г. Чем необычна эта лента? С помощью литографии на 1 см2 этого материала (он называется «Каптон») разместили 100 миллионов волосков. Получилась лента из полиамидной пленки толщиной в 5 мкм, на поверхности которой прикреплены волокна длиной 2 мкм и диаметром 500 нм. Прилипает она хорошо, но только один-два раза, а не много, как хотелось бы. Хотя для начала и это неплохо.

Ученые из Университета Калифорнии (Беркли) также разработали липкий адгезивный материал, способный выдерживать значительный вес. Это полипропиленовый полимер, 1 см2 которого содержит 42 миллиона волокон длиной 15-20 мкм и диаметром 600 нм. Механизм прилипания такого материала совершенно другой, чем у обычного скотча. Ведь он прилипает не под давлением, а при попытке скольжения вдоль поверхности. Волокна изгибаются, увеличивается площадь контакта адгезивного материала с поверхностью – соответственно возрастает прочность связи. Если такой «скотч» прикрепить к поверхности без нагрузки, то сила сцепления будет незначительной. Но чем больше нагрузка, тем больше будет сила сцепления. Сегодня 2 см2 такого адгезива могут удерживать 400 г веса.

Биоинженеры из Северо-Западного Университета США объединили в новом материале принцип липкости лапок Геккона и способность мидий выделять белковый клей, работающий под водой. Они назвали материал Геккель (geckel = gecko+ mussel, по русски Геккон + мидия). Для начала создали липкий клей – полимер, аналогичный тому, что используется мидиями для крепления под водой. Это белок, в котором к аланину прикреплена молекула гидрофильного 3,4-дигидрокси-n-фениланилина (он обладает уникальной липкостью в воде). Потом была изготовлена матрица из кремниевых шипов толщиной 400 нм и высотой 600 нм, которые покрыли слоем клея-белка. Получился симбиоз из возможностей Геккона (физический принцип) и мидии (химический принцип). Такой материал прочно и по многу раз прилипает к поверхностям и на воздухе и в воде. Его предполагается использовать для обуви альпинистов (в том числе и для промышленных, моющих окна в небоскребах), как заменитель шовного водоустойчивого хирургического материала, для крепления постеров на конференциях.... Правда пока этот материал может работать только на гладких и чистых поверхностях, то есть все-таки уступает Геккону.

Ученые фирмы «NanoSys» (Пало-Альто, США) разработали технологию получения материала, на поверхности которого как на пальцах Геккона расположены нановолоски. Материал обладал адгезией даже более высокой, чем пальцы Геккона. Изобретением заинтересовался Пентагон, но из-за дороговизны технологии материал пока не нашел практического применения.

Конечно, для создания суперлипких наноадгезивов пытаются использовать углеродные нанотрубки самого различного вида. Ведь они по геометрии близки к ворсинкам лапок Геккона. В частности, работу с углеродными трубками провела в 2004-2005 годах группа ученых под руководством профессора П.Аджаняна (Университет Акрон в штате Огайо). Она получила материал в виде «щетки» - над поверхностью торчал лес углеродных нанотрубочек. Техника его получения очень сложна: на поверхности подложки из кварца или кремния из газовой фазы конденсировали углерод и формировали многослойные нанотрубки длиной 50-100 мкм. Затем погружали материал в полимерную композицию и частично ее удаляли. Получали щетку из углеродных нанощетинок. Сила адгезии одной такой щетинки превышает прилипание одной ворсинки Геккона.

Теоретически массив многостенных углеродных нанотрубок диаметром 20-30 нм и плотностью ~ 1011–1012 нанотрубок/см2 могут обеспечить адгезию ~ 500 Н/см2, то есть значительно выше, чем у лапок Геккона. Но это теория, а пока адгезия созданного макрообъекта существенно ниже ожидаемой из расчета на одну ворсинку. Это, видимо, связано с низким контактом нанотрубок с поверхностью приклеивания материала.

Однако понемногу работы по созданию суперлипкого адгезива с углеродными нанотрубками продвигаются. На кремневой подложке каталитическим методом вырастили массивы вертикально ориентированных многостенных нанотрубок, и материал, полученный таким методом, имел отличную адгезию на макроуровне (величина адгезии отрыва составляла ~ 12 н/см2 при вертикальной нагрузке, и ~ 8 н/см2 при сдвиговой деформации). Если из такого адгезива сделать подошвы ботинок, то человек весом 70 кг сможет удерживаться на вертикальной поверхности.

К сожалению, пока прочность сцепления трубок с подложкой не очень высока, поэтому материал обеспечивает только несколько циклов прилипания-отлипания. В процессе исследований оказалось, что сила сцепления зависит от химической природы и гибкости матрицы, длины, диаметра ворсинок и плотности их размещения на поверхности адгезива. С использованием такого материала был изготовлен игрушечный мишка весом 2 кг, который смог сделать 5 шагов по вертикали. Если создать материал с силой адгезии ~ 4н/см2, то человек весом 70 кг сможет удерживаться на вертикальной поверхности при контакте с ней в 20 см2 (~ подошва ботинка).

Если проследить историю развития человеческой цивилизации через технологии (по С.Лему технологии определяют общий вектор цивилизации), то человек только и делает, что «подсматривает», а затем имитирует природу с различной степенью успеха. Он и дальше будет продолжать, теперь уже занимаясь наномиметикой и создавая нановолокна, наноодежду, нанообувь с новыми или улучшенными потребительскими свойствами.


Возврат к списку публикаций


Ваше мнение о статье

Интернет-ресурсы

Популярные тэги ntsr.info

Нано в играх

Нанотехнологическое общество России

email: orgnanosociety@mail.ru