Цивилизация
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.