Где тонко, там и липнет

Принцип адгезионного контакта часто связан с проявлением взаимодействий типа «ключ–замок» между атомами и молекулами.
Художник Петер Грик. Реконфигурация IV, 2006 г. Источник: gric.at

По телевидению или на фотографиях (а кто-то и вживую), наверное, многие видели, как ящерица геккон свободно разгуливает по стенам и потолку. Оказывается, разгадку секрета «прилипания» этой рептилии к отвесным плоскостям надо искать на┘ атомарном уровне. Дело в том, что на лапках ящерицы имеются тончайшие волоски, которые электризуются и работают подобно магнитам, что и помогает геккону совершать головокружительные пробежки. У специалистов даже появился термин: «геккон-адгезия», или обратимая сухая адгезия (от латинского adhaesio – прилипание: сцепление поверхностей разнородных тел).

На этом принципе сегодня создаются робототехнические и другие устройства – всевозможные электростатические прижимы, захваты. Именно используя этот принцип, пчелы переносят пыльцу растений (микро- и наночастички) на большие расстояния. Налипание вулканической пыли на корпус и двигатели самолетов, когда те пролетают сквозь облако вулканической пыли, тоже происходит за счет «геккон-адгезии».

Вообще, надо сказать, что с развитием наносистем, то есть систем, масштаб которых измеряется нанометрами – 10-6 м, интерес к свойствам соприкасающихся поверхностей вышел на качественно новый уровень. И адгезионные явления в наносистемах играют не последнюю роль. Если не ведущую.

Действительно, в нанотехнике и технологиях (создание различных устройств современной электроники, биочипов, элементов молетроники (молекулярной электроники), получении нанокомпозитов, процессах фотолитографии, изучении супрамолекулярных устройств адгезия – неизменный спутник.

Принцип адгезионного контакта часто связан с проявлением взаимодействий типа «ключ–замок» между атомами и молекулами. При этом «замок» может быть один, а «ключей» – несколько, да и «отмычку» можно подобрать. Например, взаимодействие клеток нейронов головного мозга с клетками, выполняющими обслуживающие функции, так называемые клетки глии (от греч. склеивать), строится именно по этому принципу. Кстати, большая часть объема нервной ткани (до 9/10 в некоторых областях мозга) занята именно глией, то есть «отмычек» действительно более чем достаточно!

Хотя адгезии присущи общие черты, у адгезии на микро- и наноуровне есть свои особенности. Например, при работе микродвигателей жидкая смазка приобретает свойства адгезива, что нарушает работу. Вклад межмолекулярных взаимодействий при прилипании наночастиц к твердым телам становится сравним с вкладом химических связей (ковалентные, ионные, донорно-акцепторные). Именно поэтому удаление мелких (менее 0,1 мкм) частичек пыли или порошков с поверхности твердых тел – задача непростая даже при современном уровне знаний и технологий.

Проблемы адгезии приходится учитывать при получении (выращивании) молекулярных слоев на различных подложках (молекулярно-лучевая эпитаксия); напылении тонких пленок на подложки в вакууме; при возникновении связей в новых материалах, таких как наночастицы, молекулярные магниты, квантовые точки, неметаллические кластеры.

Несколько лет назад американский исследователь Г.Двали с сотрудниками опытным путем установили, что гравитация действует и на нанодистанциях. Раньше вкладом гравитационных взаимодействий в прочность адгезионных соединений пренебрегали из-за их крайне ничтожных значений. Однако в микро- и наносистемах гравитационные эффекты становятся сопоставимыми с наблюдаемыми при работе на растровых микроскопах, когда порядок измеряемых сил колеблется от пико- до микроньютонов (10-12 – 10-6 Н).

В ряде случаев (адгезия мелких частичек к твердым телам) можно даже оценить значение «длины» возникающей связи. Однако, как это впервые было показано автором этих строк десять лет назад, важно знать еще и время, за которое образуются те или иные связи. Ведь некоторые процессы требуют огромных времен (эпитаксия в природе); другие протекают быстрее (сварка взрывом, трением); третьи идут практически мгновенно: образование оксидных пленок происходит за время менее 1 пикосекунды (10-12 сек), а изображение на сетчатке глаза формируется менее чем за 1 фемтосекунду (10-15 сек).

И это вовсе не пустяки. Учет фактора времени образования связи позволил избавиться от налипания микроорганизмов к днищу речных и морских судов. Это позволяет направленно регулировать «залечивание» микротрещин в кристаллах, создавать сплавы, тормозящие развитие трещин (работы академика Иосифа Фридляндера с сотрудниками).