Наноискусство пауков

Прочность волокна, из которого сплетена паутина, превышает прочность стальной проволоки такого же диаметра.
Источник: rsc.org.

О пауках и паутине написано так много, что вроде бы и добавить нечего. О разных типах паутинного волокна, например, – обычном, промазанном клеем и т.д. Указывали, что прочность его превышает прочность стальной проволоки такого же диаметра; было немало сообщений об универсальности паучьего клея. Но копилка удивительных фактов об этой инженерной конструкции, созданной самой природой, постоянно пополняется.

Вот совсем свежее сообщение. Давно было известно, что пауки из рода Argiope подобны Пикассо в мире членистоногих. Их паутина – настоящее произведение искусства. Аргиопы украшают свою паучью сеть зигзагами, спиральными, крестообразными узорами. Биологи из Университета Тайчун (Тайвань) установили, что насекомые и другая добыча пауков попадаются в такие сети чаще. Однако такого рода художествами также чаще интересуются и хищники.

В последнее время паутину используют при изготовлении оптических волокон. Для этого паутину покрывают силикатным клеем, сушат и подвергают термообработке при высоких температурах. Паутина выгорает, остается полый микрокапилляр из оксида кремния.

Китайские ученые пошли дальше – установили причину различной прочности паутинного шелка и шелка, вырабатываемого тутовым шелкопрядом. Оказалось, что паук выпускает ориентированную (прочную) белковую нить, свисая на ней в процессе ее формировании, а шелкопряд – обычную (формирует нить, покачивая головой). Китайцы подправили этот инженерный недочет: закрепив голову шелкопряда, они заставили его прясть ориентированную нить, и прочность ее приблизилась к паутинной.

Привлекают внимание ученых и прогулки пауков по гладким вертикальным поверхностям и потолку. На каждой лапке паука имеется небольшая область из десятков тысяч тонких щетинок, способных приблизиться до молекулярных расстояний к поверхности, что приводит к проявлению так называемых сил Ван-дер-Ваальса. Общая сила сцепления может достигать больших значений и удерживать вес, многократно превышающий собственный вес паука.

Оказалось, пауки паукам рознь. У тарантулов ученые обнаружили дополнительную способность к выделению шелкоподобного вещества. При изучении передвижения полосатых тарантулов видеокамера зафиксировала следы паучьего шелка, оставленного лапками паука на стекле. Один из авторов статьи в журнале Nature Станислав Горб показал, что волоконца эти имеют диаметр около 1 микрона (10-6 м). Липкий слой помогал пауку удерживаться на вертикальной поверхности стекла. Кроме того, обнаружен неизвестный механизм – шелк выделяется из лапок паука, а не только из брюшка.

Новые данные облегчают задачу по построению демонстрационной модели передвижения пауков, гекконов, мух. Мне, например, довелось изучать механизм передвижения мухи по гладкой поверхности (см. «НГН» от 14.11.07). На некоторых модельных системах были оценены параметры сцепления с самыми различными подложками (стекло, металлы, полимеры, бумага, кожа и т.п.). Так, удалось оценить прочность прилипания к стеклу, бумаге, слюде при угле отслаивания 90 градусов и скорости отслаивания 0,25 см/сек. (для сравнения результатов). Отмечено максимальное прилипание к стеклу (4,1 Гс/см), меньшее – к бумаге и слюде (3,8 и 3,4 Гс/см соответственно). Проверена и прочность прилипания на отрыв – она достигала 50–60 граммов на квадратный сантиметр. Минимальное значение прочности прилипания наблюдалось при углах отслаивания от 15 до 45 градусов (вероятно, при таких углах мухе или геккону легче отрывать лапки от поверхности твердых тел).

С учетом обнаруженных закономерностей был изготовлен макет, наглядно демонстрирующий принцип передвижения геккона по потолку.

Однако для создания роботов, перемещающихся по вертикальным поверхностям, можно использовать электрореологические жидкости, то есть жидкости, которые при наложении внешнего электростатического поля переходят в твердое состояние и вновь становятся жидкими при снятии поля. Подойдут и магнитные жидкости, переходящие в систему «жидкость – твердое состояние» при действии внешнего магнитного поля. При этом сами источники электрических и магнитных полей можно расположить на теле роботов.

Альтернативный вариант – устройства, основанные на принципе электроадгезионных соединений (прижимы, схваты и т.п.).

Продолжаются работы по созданию роботов с использованием «нанотравы» – их разработкой заняты сотрудники Института проблем механики РАН и ряда других учреждений. Уверенности придают работы последнего времени по нанесению углеродных нанотрубок на поверхность различных подложек, а не формирование их на подложках. Это упрощает и удешевляет процесс.

Автор предлагает нанесение нанотрубок с использованием эффекта электроадгезии (по типу получения искусственного меха). Волоконца сами будут «садиться» на поверхность подложки с тонким слоем адгезива. Двигаясь в электростатическом поле, все они расположатся вертикально (торчком), образуя наноковер (принцип направленного электроосаждения). И уже это произведение наноискусства можно разрезать на любые размеры и формы.