(no subject)
Dec. 17th, 2021 09:46 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
idelsonГекконы, как известно, умеют бегать по стенам и даже по потолку.
В течение длительного времени было совершенно непонятно, как они это делают. Были предложены разные механизмы: клей, присоски, крючочки, которые цепляются за шероховатости в стене, капиллярные силы, электростатические силы. Все эти варианты были отвергнуты: никакого клея на лапках у геккона нет, никаких следов он не оставляет. Нет и вакуумных присосок: геккону не требуется никаких усилий, чтобы оторвать лапку от стены, бегает он очень быстро. Шероховатости в стене тоже ни при чем: он точно так же держится на гладком стекле. Капиллярные силы были отвергнуты опытами: геккон одинаково хорошо держится на смачиваемой и на несмачиваемой поверхности. Специальными опытами с ионизированной плазмой продемонстрировали, что электростатические взаимодействия ни при чем.
Доказано, что геккон держится за счет Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий, то есть за счет очень слабых взаимодействий между неполярными молекулами. Проблема с Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями - что они действуют только на очень близком расстоянии. Поэтому, чтобы держаться таким образом, геккону нужно обеспечить очень тесное прилегание его пальцев к поверхности. Очень тесное - это доли микрон.
Картинка отсюда.
Обеспечивается это устройством его лапок. Нижняя часть подушечек пальцев покрыта тонкими щетинками. Щетинки собраны в отдельные кластеры. Плотность щетинок - 14000 на мм2. На конце каждая такая щетинка ветвится на 400-1000 совсем мелких волокон толщиной 200 нм, а на конце каждого такого волокна - плоская бляшка, или, как ее назвали, шпатель. Когда геккон прижимает палец к поверхности, он делает движение параллельно поверхности, тем самым выравнивая все шпатели параллельно поверхности.
Картинка отсюда
Если бы все бляшки оказались сцеплены с поверхностью, лапа геккона могла бы удержать 130 кг [2]. Но на практике у поверхности все-таки есть рельеф, щетинчатое устройство частично это конпенсирует, но все же не полностью. На нормальной стене лапа геккона может удержать в 40 раз больше его веса.
Для того, чтобы оторвать лапку, достаточно изменить угол ее наклона. Геккон может это сделать за 15 миллисекунд.
Собственно, мы делаем то же самое, когда держим предмет между пальцами за счет трения.
Когда поняли, как это устроено, поняли, что это легко смоделировать: сделать поверхность, покрытую тонкими нановолокнами, которые могли бы принимать форму поверхности.
Продается такая вещь nano-tape, или gecko-tape. Ее можно прижать к поверхности, и она будет держаться за счет Ван-дер-Ваальсовых сил, а если отлепить - не останется никаких следов, потому что никакого клея нет. Между прочим, первая статья на эту тему - нобелевских лауреатов Гейма и Новоселова [1].
Поверхность nano-tape. Картинка из Википедии.
Робот в виде геккона, который может ходить по стеклу. Картинка из Википедии.
В течение длительного времени было совершенно непонятно, как они это делают. Были предложены разные механизмы: клей, присоски, крючочки, которые цепляются за шероховатости в стене, капиллярные силы, электростатические силы. Все эти варианты были отвергнуты: никакого клея на лапках у геккона нет, никаких следов он не оставляет. Нет и вакуумных присосок: геккону не требуется никаких усилий, чтобы оторвать лапку от стены, бегает он очень быстро. Шероховатости в стене тоже ни при чем: он точно так же держится на гладком стекле. Капиллярные силы были отвергнуты опытами: геккон одинаково хорошо держится на смачиваемой и на несмачиваемой поверхности. Специальными опытами с ионизированной плазмой продемонстрировали, что электростатические взаимодействия ни при чем.
Доказано, что геккон держится за счет Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий, то есть за счет очень слабых взаимодействий между неполярными молекулами. Проблема с Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями - что они действуют только на очень близком расстоянии. Поэтому, чтобы держаться таким образом, геккону нужно обеспечить очень тесное прилегание его пальцев к поверхности. Очень тесное - это доли микрон.
Картинка отсюда.
Обеспечивается это устройством его лапок. Нижняя часть подушечек пальцев покрыта тонкими щетинками. Щетинки собраны в отдельные кластеры. Плотность щетинок - 14000 на мм2. На конце каждая такая щетинка ветвится на 400-1000 совсем мелких волокон толщиной 200 нм, а на конце каждого такого волокна - плоская бляшка, или, как ее назвали, шпатель. Когда геккон прижимает палец к поверхности, он делает движение параллельно поверхности, тем самым выравнивая все шпатели параллельно поверхности.
Картинка отсюда
Если бы все бляшки оказались сцеплены с поверхностью, лапа геккона могла бы удержать 130 кг [2]. Но на практике у поверхности все-таки есть рельеф, щетинчатое устройство частично это конпенсирует, но все же не полностью. На нормальной стене лапа геккона может удержать в 40 раз больше его веса.
Для того, чтобы оторвать лапку, достаточно изменить угол ее наклона. Геккон может это сделать за 15 миллисекунд.
Собственно, мы делаем то же самое, когда держим предмет между пальцами за счет трения.
Когда поняли, как это устроено, поняли, что это легко смоделировать: сделать поверхность, покрытую тонкими нановолокнами, которые могли бы принимать форму поверхности.
Продается такая вещь nano-tape, или gecko-tape. Ее можно прижать к поверхности, и она будет держаться за счет Ван-дер-Ваальсовых сил, а если отлепить - не останется никаких следов, потому что никакого клея нет. Между прочим, первая статья на эту тему - нобелевских лауреатов Гейма и Новоселова [1].
Поверхность nano-tape. Картинка из Википедии.
Робот в виде геккона, который может ходить по стеклу. Картинка из Википедии.
- Geim, A.K., Dubonos, S.V., Grigorieva, I.V., Novoselov, K.S., Zhukov, A.A. and Shapoval, S.Y. (2003), "Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair", Nature Materials, v.2, pp.461–3
- Kellar, A and Gravish, N (2008)Gecko adhesion: evolutionary nanotechnology Phil. Trans. R. Soc. A.366: 1575-1590
