Мертвая хватка живой материи

Создание нанотрубок нового поколения позволит решить и проблему сверхпрочных клеевых соединений, подобных природным.
Фото PetraSoft

Литература, посвященная уникальным клеящим свойствам природных адгезивов (клеев), поистине неисчерпаема. Уже подробно описаны и изучены липкие свойства паутины, к которой прилипают различные насекомые, способность мух, пауков, ящериц гекконов передвигаться по вертикальным поверхностям. Примеров – великое множество.

В одном из последних номеров журнала Science опубликована статья группы американских ученых, которым удалось разработать новый клеящийся материал, который имитирует структуру лап гекконов. Сообщается, что по своим характеристикам материал, состоящий из нанотрубок, в несколько раз превосходит оригинал. Секрет оказался спрятан... на кончике лапок геккона.

Выяснилось, что волоски геккона имеют неодинаковую толщину: сверху они истончаются и начинают ветвиться. За счет этого возрастает поверхность контакта и ящерица крепче держится на стене. До сих пор исследователи создавали клеящийся материал из неветвящихся нанотрубок. В данной работе ученые создали нанотрубки, концы которых, по их собственным словам, напоминают спагетти или вьющиеся ветви винограда. Авторы исследования считают, что их разработка окажется полезной во многих областях промышленности. Например, клеящийся материал может оказаться востребованным для скрепления электронных устройств или для использования в космосе.

Заимствование опыта природы, несомненно, полезно. На основе изучения природных адгезионных соединений созданы липкие ленты новых типов, клеи, позволяющие прочно соединять твердые тела в воде, самоочищающиеся липкие составы. Однако, как это ни парадоксально, работ по исследованию механизма и характера нарушения природных клеевых соединений гораздо меньше. А ведь не все насекомые запутываются в паутине, некоторым удается освободиться. Пчела не только переносит пыльцу растений, но и освобождается от нее. Тем же гекконам и мухам необходимо не только сцепляться с поверхностью стекла, к примеру, но и «отлипать» от него для передвижения.

Все перечисленные примеры связаны с нарушением адгезии (адгезионного контакта – АК). Этот же принцип – нарушения адгезионного контакта – работает, например, когда птицы чистят свои перья от загрязнений и пыли, когда москиты взлетают с поверхности воды, муха очищает свои лапки, потирая их друг о друга и удаляя частички загрязнений.

Особенно интересно поведение пчел – они большие чистюли в этом отношении. Для удаления пыльцы с тела на лапках пчелы имеется ряд жестких волосков (гребень), с помощью которых пчела выскребывает (вычесывает) частички пыльцы с тела. Зачастую пчела смачивает частички пыльцы в ротовой полости, они слипаются в большие шарики и их легче удалить. Кроме этого на лапках насекомого имеются шпоры, с помощью которых она снимает с себя восковые пластиночки, вырабатываемые специальными железами.

Щетинки на лапках геккона также требуют чистки. Часто эта ящерица просто стряхивает загрязнения с лапок, щетинки на которых так устроены, что загрязнения передвигаются к их кончикам и это легко сделать. Скатываясь с листьев растений, капельки воды уносят с собой и загрязнения.

В природе адгезионные соединения испытывают воздействие самых различных факторов – перепад температур, давлений, ветровых нагрузок, воздействие воды, солевого тумана, кислотных дождей, электрических разрядов и т.п. И при этом часто демонстрируют завидную прочность и долговечность.

Так, «паучий» клей обеспечивает прочность сцепления до 30 Мегапаскалей (МПа). Трагант, сок из надрезов стволов и ветвей некоторых кустарников из рода азиатских растений астрагалов, используемый для склеивания двух половинок карандаша, сцепляется с древесиной так прочно, что разрушение происходит по самой древесине, но не по шву склейки. Но самая высокая прочность адгезионного контакта характерна для липких выделений (клеев) бактерии «каллабактер христенсус», с помощью которых она прилипает к камням в горных речках, обеспечивая прочность контакта до 100 МПа.

Из синтетических клеев с этими природными феноменами можно сравнить лишь клей УП-5-207 (Донецк, Украина) на основе эпоксидной смолы: он склеивает загрязненные и замасленные поверхности металлов с прочностью 50 МПа. Что касается геккон-адгезивов, то они сцепляются с поверхностью стекла с прочностью, достигающей около 0,1 МПа. Но и масса средней ящерицы около 50 граммов, то есть 20-кратный запас прочности обеспечен. Для муравья запас прочности стократный.

Что касается долговечности, то природным адгезионным соединениям нет равных. У термитников, за которыми велось постоянное наблюдение, не обнаружено заметного понижения прочностных характеристик за 100 и более лет. А клеевые соединения морских желудей (баланусы) сохранили долговечность, исчисляемую миллионами лет, что доказано по сохранившимся скелетам морских желудей, прочно склеившихся с другими ископаемыми объектами.

Свойства частиц, связанные с поверхностной энергией, наиболее чувствительны к изменению размеров объекта. Наночастички могут самопроизвольно прилипать друг к другу и различным подложкам, сильно электризоваться, собираться в кластеры (пример – кофе тонкого помола: частички его «объединяются» в комочки). И исследование разрушения адгезионных контактов в природных клеевых соединениях – хорошая основа для разработки новых методов тестирования адгезионной прочности.

В общем, учиться у природы можно бесконечно.