В чем секрет лучших прилипающих поверхностей в природе?
Прилипание – чрезвычайно важное явление живой природы: благодаря нему насекомые карабкаются по стенам, растения увивают их, а клетки прикрепляются к поверхностям. По ходу эволюции многие из этих организмов выработали адгезивные органы и структуры в виде гриба. Ларс Хеепе (Lars Heepe) и его коллеги по Кильскому университету (Германия) выяснили, почему именно эта форма так способствует прилипанию. Дело в равномерном распределении напряжения между поверхностью и связывающим материалом.
Прочность прилипания определяется не только неровностями соприкасающихся поверхностей, но и их формой – так называемой геометрией контакта. В естественной геометрии контакта преобладают грибовидные формы. Они развились у многих водных и наземных организмов независимо друг от друга – на нано-, микро- и макро-уровне. Среди примеров – прилипающие к поверхностям бактерии Caulobacter crescentus (наноуровень), грибовидные волоски у некоторых жуков-листоедов Chrysomelidae (микроуровень, на фото слева) и дикий пятилистный виноград Parthenocissus (макро-уровень).
Но в чем же состоят механические преимущества грибовидной формы? Чтобы ответить на этот вопрос, междисциплинарная исследовательская группа в составе инженера-физика Ларса Хеепе, биофизика Александра Ковалева, физика-теоретика Александра Филиппова и биолога Станислава Горба (Stanislav Gorb) тщательно изучили гекко-тейп – разработанный в Кильском университете (в сотрудничестве с фирмой Gottlieb Binder GmbH & Co. KG) связывающий материал (на фото справа). На создание его микроскопических адгезивных элементов инженеров вдохновили лапки геккона и жука-листоеда. Гекко-тейп приклеивается даже к мокрым и скользким поверхностям; ленту можно отклеивать и приклеивать заново, причем она не оставляет следов и не теряет своих свойств.
«Под микроскопом высочайшего разрешения мы рассмотрели, как отцепляются отдельные грибовидные структуры», - рассказывает Хеепе. Ученые сфотографировали процесс отклеивания со скоростью 180,000 кадров в секунду. «Мы увидели, что сам момент отцепления – выражаясь точнее, тот момент, когда дефект в контактной зоне начинает развиваться в направлении полного отделения – длится всего лишь несколько микросекунд». Соприкасающиеся поверхности разрываются со скоростью, равной 60% от скорости звука материала (12 м/сек).
«Такое возможно только если между грибовидным адгезионным элементом и поверхностью существует равномерное распределение напряжения», - объясняет Хеепе. Выход на такие высокие скорости за такое короткое время требует очень много энергии упругой деформации – накопить ее в таких объемах можно только если напряжение равномерно распределено по контактной зоне. Другие геометрии прилипания (перфорирование плоским способом, например) создают области концентрированного напряжения и поэтому начинают отклеиваться с краев. А тонкая пластина грибовидной головки не дает сформироваться пикам напряжения – и открепление идет изнутри наружу. Для запуска этого процесса требуется очень большая сила – отсюда и высочайшая прочность приклеивания.
Выводы кильских ученых могут быть использованы при разработке безклеевых адгезивных поверхностей. Они также помогут создать фотопереключаемую адгезивную систему: свет определенной длины волны может переключать ее из адгезивного состоянии в неадгезивное.
На иллюстрации 2: a-c: три различных грибовидных адгезионных элемента гекко-тейп, приклеенные на стекло (темные зоны). d-f: пространственно-временная карта отклеивания адгезионных элементов a-c в условной окраске. Первыми отходят синие зоны, последними – красные. G-i: пространственно-временная карта распространения трещин в условной окраске. Все изображения выполнены в шкале 10 микрон.
Данные исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
По материалам пресс-релиза Кильского университета.
Артём Космарский nauka21vek.ru