Чему можно научиться у геккона

Людям свойственно стремление подражать природе и учиться у неё. Тому есть множество примеров из разных эпох — от восковых крыльев Икара, чешуйчатых доспехов римских легионеров или летательных машин Леонардо да Винчи до современных застёжек-липучек, работающих по принципу прилипания колючек репейника, которые позволяют быстро застегнуть куртку или кроссовки.

Существует даже целый раздел науки — биомиметика (от греч. bios, что значит «жизнь», и mimesis — имитировать, подражать). Биомиметика занимается созданием материалов, технологий, процессов и устройств, в основе работы которых использованы идеи, заимствованные у природы.

На протяжении более 100 лет учёные пытались понять механизм прилипания, а по-научному — адгезии (от лат. adhaesio — прилипание), миллиона ворсинок, расположенных на лапках гекконов, к любой поверхности, по которой перемещаются эти ящерки. Прежде считали, что их удерживают капиллярные силы и силы, возникающие при поляризации поверхности и ворсинок от трения. И лишь в начале XXI века появились первые экспериментальные доказательства того, что гекконов прочно удерживают даже на гладком и скользком оконном стекле вандерваальсовы силы. Щетинки совершенно не смачиваются водой, но одинаково эффективно прилипают и к несмачиваемой, и к влажной поверхности. Учёные доказали, что важны не химические свойства поверхности, а лишь форма и размер контактирующих с поверхностью окончаний ворсинок. Опираясь на эти знания, они смогли воссоздать «эффект геккона» с помощью синтетических материалов.

Бурное развитие нанотехнологий в последние десятилетия послужило толчком к тому, что биомиметика занялась созданием уникальных материалов. Благодаря новым возможностям электронной микроскопии и прогрессу в области получения и производства наноструктур, у учёных наконец-то появилась возможность воспроизводить с той или иной долей приближения строение, а значит, и свойства некоторых природных материалов, обладающих полезными, а зачастую и уникальными характеристиками.

История «гекко-скотча» — от кусочка липкой ленты, созданной в лаборатории, до готовой бесклеевой ленты с поразительными адгезионными свойствами — один из многих успешных примеров биомиметического подхода в материаловедении.

Создатель «гекко-скотча» лауреат Нобелевской премии в области физики за 2010 год Андрей Гейм известен как первооткрыватель графена и человек, заставивший живых лягушек левитировать («парить» в воздухе) в магнитном поле. В 2003 году Гейм изобрёл бесклеевую липкую ленту, воспроизводящую на микроуровне поверхность лапок геккона.
Лапка гекконаПодошва лапки геккона сплошь покрыта мельчайшими ворсинками; справа — та же лапка в 30-кратном увеличении: 1 мм2 её площади покрывают более 5000 ворсинок в десять раз тоньше человеческого волоса. Фото с сайта geckolab.lclark.edu и Andrew Syred / Science Photo Library

А началась эта история тремя годами раньше, когда группа американских исследователей раскрыла секрет этих тропических ящериц. Оказалось, что способность гекконов (за исключением нескольких подвидов) без труда карабкаться по гладким вертикальным поверхностям и не падать с потолка связана со строением подошв их лапок, сплошь покрытых мельчайшими, толщиной в 1/10 человеческого волоса, ворсинками. За счёт вандерваальсового взаимодействия сила сцепления с поверхностью каждой из этих ворсинок равна приблизительно 10-7 Н. Но, поскольку каждый квадратный миллиметр поверхности лапок покрывают более пяти тысяч таких волосков, суммарная сила адгезии составила в условиях эксперимента 10 Н/см2 — это приблизительно 1 кг нагрузки. Теоретически же, задействовав все свои ворсинки, 50-граммовые гекконы способны удержать на отвесной стене двух взрослых людей.

Ян Ван-дер-Ваальс (1837–1923) — голландский физик. Родился в семье плотника, работал школьным учителем. В 1869 году сделал открытие — описал, как взаимодействуют между собой молекулы вещества. Впоследствии учёные стали называть обнаруженные им физические силы, возникающие при взаимодействии молекул, вандерваальсовыми силами. Физик изучал поведение молекул в газообразных, твёрдых и жидких веществах, сделал ряд значительных открытий в области теоретической молекулярной физики. В 1877 году Ван-дер-Ваальс был приглашён на должность профессора в Амстердамский университет, а в 1910 году удостоен Нобелевской премии по физике.

Ворсинки «гекко-скотча»Полимерные ворсинки «гекко-скотча»; справа — те же ворсинки в соприкосновении с поверхностью (увеличенное изображение). Фото получены с помощью электронного микроскопа (Nature Materials 2, 461–463, 2003).

Чтобы воспроизвести ворсистую поверхность лапок геккона, Андрей Гейм с коллегами применили метод электронно-лучевой литографии, создав полиимидную полимерную плёнку с такой же микроструктурой. Согласно полученным данным, чтобы оторвать от гладкого стекла образец плёнки размером 1×1 см, требуется усилие около 3 Н. И хотя это втрое меньше, чем сила адгезии, развиваемая лапками геккона, всего 200 см2 такого «гекко-скотча» (размер половины школьной тетради) будет достаточно, чтобы удержать на весу взрослого человека. Однако такую «клейкую» ленту можно было использовать ограниченное число раз, поскольку микроскопические полимерные волоски разрушались в процессе прилипания—отлипания.
Микроструктура ворсинок Микроструктура ворсинок бесклеевого материала Gecko Nanoplast, основанного на «эффекте геккона». Фото получено с помощью электронного микроскопа. Gecko® Tape, Gottlieb Binder GmbH & Co.KG. Фото с сайта www.materialica.de.

В дальнейшем Гейм и его сотрудники не принимали участия в поисках новых адгезивных материалов, основанных на «эффекте геккона». Между тем другие исследовательские коллективы в разных концах света за довольно короткий срок изобрели свои варианты «гекко-скотча». Наиболее успешной оказалась, пожалуй, силиконовая плёнка Gecko Nаnoplast. Обладая плотностью микроворсинок 29 000 шт./см2, такой «гекко-скотч» обеспечивает надёжное многократное «сухое» прилипание как к гладким, так и к шероховатым поверхностям. Его поразительные адгезионные свойства демонстрирует фото ниже. Разработали эту плёнку в Германии группа профессора С. Горба из Института зоологии при университете им. Х. Альбрехта (г. Киль) совместно с компанией Gottlieb Binder. Весной 2011 года Gecko Nаnoplast в категории «новый продукт» завоевал золотую медаль престижного международного конкурса промышленного дизайна.

Gecko Nanoplast Бесклеевая плёнка Gecko Nanoplast размером 20×20 см способна удержать на весу взрослого человека. Фото Claudia Eulitz с сайта www.uni-kiel.de.

Удивительные способности гекконов послужили источником вдохновения не только для разработчиков новых материалов, но и для специалистов в области робототехники. С появлением «гекко-скотча» перед ними открылись новые возможности в создании роботов-скалолазов, использующих для карабканья по отвесным стенам тот же принцип, что и их собратья в живой природе. Например, учёные из университета Кейз вестeрн резерв в США, создавая своего робота, применили Gecko Nаnoplast С. Горба.
Робот «Минивер»Робот «Минивер», сконструированный в университете Кейз вестерн резерв в США. Фото с сайта biorobots.case.edu

А их коллеги из Стэнфордского университета изобрели собственный вариант адгезивной «гекко-плёнки». Для этого с помощью нанотехнологий они изготовили специальные формы для отливки, имитирующие микроворсинки на лапках геккона. Далее эти матрицы обработали силиконовой резиной, и в итоге получилась адгезивная плёнка с «эффектом геккона».
Микроструктура ворсинок «гекко-скотча»Микроструктура ворсинок «гекко-скотча», разработанного в Стэнфордском университете. Фото получено с помощью электронного микроскопа. Фото с сайта bdml.stanford.edu