Чого можна навчитися від геккону

Природа так про все подбала, що всюди

знаходиш, чому вчитися.

Леонардо да Вінчі

Людям властиве прагнення наслідувати природу і вчитися у неї. Тому є безліч прикладів з різних епох — від воскових крил Ікара, лусчастих обладунків римських легіонерів або літальних машин Леонардо да Вінчі до сучасних застібок-липучок, що працюють за принципом прилипання колючок ріпейника, які дозволяють швидко застібнути куртку або кросівки.

Існує навіть цілий розділ науки — біоміметика (від греч.bios, що означає «життя», і mimesis — імітувати, наслідувати). Біоміметика займається створенням матеріалів, технологій, процесів і пристроїв, в основі роботи яких використані ідеї, запозичені у природи.

Протягом понад 100 років вчені намагалися зрозуміти механізм прилипання, а по-науковому — адгезії (від лат. adhaesio — прилипання), мільйона ворсинок, розташованих на лапках гекконів, до будь-якої поверхні, по якій переміщуються ці ящірки. Раніше вважали, що їх утримують капілярні сили і сили, що виникають при поляризації поверхні і ворсинок від тертя. І лише на початку XXI століття з’явилися перші експериментальні докази того, що гекконів міцно утримують навіть на гладкому і слизькому віконному склі вандерваальсові сили. Щетинки абсолютно не змочуються водою, але однаково ефективно прилипають і до невмочуваної, і до вологої поверхні. Вчені довели, що важливі не хімічні властивості поверхні, а лише форма і розмір контактуючих з поверхнею закінчень ворсинок. Спираючись на ці знання, вони змогли відтворити «ефект геккону» за допомогою синтетичних матеріалів.

Бурхливий розвиток нанотехнологій в останні десятиліття послужив поштовхом до того, що біоміметика зайнялася створенням унікальних матеріалів. Завдяки новим можливостям електронної мікроскопії і прогресу в області отримання і виробництва наноструктур, у вчених нарешті з’явилася можливість відтворювати з тією чи іншою часткою наближення будову, а значить, і властивості деяких природних матеріалів, що володіють корисними, а часто і унікальними характеристиками.

Історія «гекко-скотчу» — від шматочка липкої стрічки, створеної в лабораторії, до готової безклеєвої стрічки з разючими адгезійними властивостями — один з багатьох успішних прикладів біоміметичного підходу в матеріалознавстві.

Творець «гекко-скотчу» лауреат Нобелівської премії в галузі фізики за 2010 рік Андрій Гейм відомий як першовідкривач графену і людина, яка змусила живих жаб левітувати («парити» в повітрі) в магнітному полі. У 2003 році Гейм винайшов безклеєву липку стрічку, що відтворює на мікрорівні поверхню лапок геккона.

Підошва лапки геккона суцільно покрита найдрібнішими ворсинками; праворуч — та сама лапка в 30-кратному збільшенні: 1 мм² її площі покривають більше 5000 ворсинок в десять разів тонше людського волосся. Фото з сайту geckolab.lclark.edu і Andrew Syred/Science Photo Library

А почалася ця історія трьома роками раніше, коли група американських дослідників розкрила секрет цих тропічних ящірок. Виявилося, що здатність гекконів (за винятком декількох підвидів) без зусиль дертися по гладких вертикальних поверхнях і не падати зі стелі пов’язана з будовою підошв їх лапок, суцільно покритих найдрібнішими, товщиною в 1/10 людської волосини, ворсинками. За рахунок вандерваальсового взаємодії сила зчеплення з поверхнею кожної з цих ворсинок дорівнює приблизно 10^-7 Н. Але, оскільки кожен квадратний міліметр поверхні лапок покривають більше п’яти тисяч таких волосин, сумарна сила адгезії склала в умовах експерименту 10 Н/см² — це приблизно 1 кг навантаження. Теоретично ж, задіявши всі свої ворсинки, 50-грамові геккони здатні утримати на відвісній стіні двох дорослих людей.

Ян Ван-дер-Ваальс (1837-1923) — голландський фізик. Народився в родині теслі, працював шкільним вчителем. У 1869 році зробив відкриття — описав, як взаємодіють між собою молекули речовини. Згодом вчені стали називати виявлені ним фізичні сили, що виникають при взаємодії молекул, вандерваальсовими силами. Фізик вивчав поведінку молекул в газоподібних, твердих і рідких речовинах, зробив ряд значних відкриттів в області теоретичної молекулярної фізики. У 1877 році Ван-дер-Ваальс був запрошений на посаду професора в Амстердамський університет, а в 1910 році удостоєний Нобелівської премії з фізики.

Полімерні ворсинки «гекко-скотча»; праворуч — ті самі ворсинки в зіткненні з поверхнею. Фото отримані за допомогою електронного мікроскопа (Nature Materials 2, 461-463, 2003)

Щоб відтворити ворсисту поверхню лапок геккона, Андрій Гейм з колегами застосували метод електронно-променевої літографії, створивши поліімідну полімерну плівку з такою ж мікроструктурою. Згідно з отриманими даними, щоб відірвати від гладкого скла зразок плівки розміром 1 ст.1 1 см, потрібне зусилля близько 3 Н. І хоча це втричі менше, ніж сила адгезії, що розвивається лапками геккону, всього 200 ^см2 такого «гекко-скотчу» (розмір половини шкільного зошита) буде достатньо, щоб утримати на вазі дорослу людину. Однак таку «клейку» стрічку можна було використовувати обмежену кількість разів, оскільки мікроскопічні полімерні волосини руйнувалися в процесі прилипання — відлипання.

Мікроструктура ворсинок безклеєвого матеріалу Gecko Nanoplast, заснованого на «ефекті геккона». Фото отримано за допомогою електронного мікроскопа. Gecko® Tape, Gottlieb Binder GmbH & Co.KG. Фото з сайту www.materialica.de

Надалі Гейм і його співробітники не брали участі в пошуках нових адгезивних матеріалів, заснованих на «ефекті геккону». Тим часом інші дослідницькі колективи в різних кінцях світу за досить короткий термін винайшли свої варіанти «гекко-скотчу». Найбільш успішною виявилася, мабуть, силіконова плівка Gecko Nanoplast. Володіючи щільністю мікроворсинок 29 000 шт./см², такий «гекко-скотч» забезпечує надійне багаторазове «сухе» прилипання як до гладких, так і до шорстких поверхонь. Його вражаючі адгезійні властивості демонструє фото нижче. Розробили цю плівку в Німеччині група професора С. Горба з Інституту зоології при університеті ім. Х. Альбрехта (м. Кіль) спільно з компанією Gottlieb Binder. Навесні 2011 року Gecko Nanoplast у категорії «новий продукт» завоював золоту медаль престижного міжнародного конкурсу промислового дизайну.

Безклеєва плівка Gecko Nanoplast розміром 20 ст.1 20 см здатна утримати на вазі дорослу людину. Фото Claudia Eulitz з сайту www.uni-kiel.de

Дивовижні здібності гекконів послужили джерелом натхнення не тільки для розробників нових матеріалів, але і для фахівців у галузі робототехніки. З появою «гекко-скотчу» перед ними відкрилися нові можливості у створенні роботів-скелелазів, які використовують для карабкання за відвісними стінами той же принцип, що і їхні побратими в живій природі. Наприклад, вчені з університету Кейз вестерн резерв у США, створюючи свого робота, застосували Gecko Nanoplast С. Горба.

Робот «Мінівер», сконструйований в університеті Кейз вестерн резерв у США. Фото з сайту biorobots.case.edu

А їхні колеги зі Стенфордського університету винайшли власний варіант адгезивної «гекко-плівки». Для цього за допомогою нанотехнологій вони виготовили спеціальні форми для виливки, що імітують мікроворсинки на лапках геккону. Далі ці матриці обробили силіконовою гумою, і в підсумку вийшла адгезивна плівка з «ефектом геккона».

Мікроструктура ворсинок «гекко-скотча», розробленого в Стенфордському університеті. Фото отримано за допомогою електронного мікроскопа. Фото з сайту bdml.stanford.edu

Про особливості лапок геккону та кінцівок інших тварин див. «Наука і життя» № 11, 2007 р.