ЧУ­ДО–ЛАПКА

Kolosok - - ГОЛОВНА СТОРІНКА -

Є без­ліч не­ймо­вір­них ви­тво­рів При­ро­ди, які лю­ди­на не зда­тна по­вто­ри­ти. До­ско­на­лість пред­став­ни­ків жи­во­го сві­ту, їхня до­ціль­ність, фун­кціо­наль­ність, во­дно­час скла­дність і про­сто­та не­д­ося­жні для від­тво­ре­н­ня у на­у­ко­вих ла­бо­ра­то­рі­ях. Що­ра­зу, ко­ли це усві­дом­лю­єш, ро­зу­мі­єш: лю­ди­на не зда­тна пе­ре­вер­ши­ти Твор­ця…

Лю­ди­на-па­вук, або Як ство­ри­ти су­перв­зу­т­тя для хо­ді­н­ня по сте­лі?

Ця ма­ле­сень­ка ящір­ка з сі­мей­ства Ге­ко­ни на­се­ляє Зем­лю по­над 50 млн ро­ків. Во­на швид­ко і вправ­но до­лає вер­ти­каль­ні під­йо­ми, на­че фо­ку­сник, се­крет яко­го ми не мо­же­мо зба­гну­ти, ма­нев­рує глад­кою сте­лею, зви­сає з неї, утри­му­ю­чи своє до­во­лі важ­кень­ке ті­ло1 ли­ше одні­єю ла­пкою, за­гад­ку на­но­стру­кту­ри якої наука до­сі не ося­гну­ла.

Ар­хі­те­кту­ра ла­пки ге­ко­на від­дав­на на­ди­хає уче­них на роз­роб­ку над­зви­чай­но ефе­ктив­но­го спосо­бу су­хої адге­зії2. Спро­би ви­на­йти ма­те­рі­а­ли, які б до­зво­ли­ли ство­ри­ти взу­т­тя для хо­ді­н­ня по сте­лі і по­вто­ри­ти трю­ки фан­та­сти­чної лю­ди­на-па­ву­ка, бу­ли не­о­дно­ра­зо­во. Так, до­ктор Ан­дре Гейм з Ман­че­стер­сько­го уні­вер­си­те­ту ви­го­то­вив са­мо­очи­щу­валь­ну стрі­чку роз­мі­ром 0,5 см2, що ви­три­му­ва­ла ван­таж по­над 100 г, пі­дві­ше­ний на ній до скля­ної сте­лі. На жаль, цю стрі­чку не мо­жна ба­га­то­ра­зо­во при­кле­ю­ва­ти і від­ри­ва­ти. Як­би це вда­ло­ся зро­би­ти, то ру­ка­ви­ці і че­ре­ви­ки з та­ко­го ма­те­рі­а­лу до­по­мо­гли б лю­ди­ні-па­ву­ку під­ні­ма­ти­ся по будь-якій по­верх­ні.

Су­пе­ра­дге­зія ге­ко­нів про­яв­ля­є­ться ли­ше на су­хих по­верх­нях. Але ша­ну­валь­ни­кам хі­мії бу­де ці­ка­во ді­зна­ти­ся, що си­ли зче­пле­н­ня ла­пок ге­ко­на ді­ють і на гі­дро­фо­бних3, і на гі­дро­філь­них4 по­верх­нях.

Роз­гад­ка се­кре­ту ге­ко­на

„ При­ли­пал” у при­ро­ді є ба­га­то: мі­дії мі­цно при­кле­ю­ю­ться до по­вер­хонь на су­хо­до­лі і під во­дою; ри­би-при­ли­па­ли при­смо­кту­ю­ться до кру­пних риб, ки­тів, мор­ських че­ре­пах, днищ ко­ра­блів; во­сьми­ніг за до­по­мо­гою при­со­сок утри­му­є­ться на ка­мін­ні і во­дно­час мі­цно три­має свою жер­тву. Ви­вча­ти се­кре­ти „ли­пу­чо­сті” тва­рин-при­ли­пал мо­жна без­ко­не­чно. Так, у ди­тин­стві ав­то­ру стат­ті не да­ва­ло спо­кою за­пи­та­н­ня: чо­му му­хи при­ли­па­ють до па­ву­ти­ни, а па­ву­ки – ні? 5

Але се­ред тва­рин-при­ли­пал нас за­ці­ка­вив са­ме ге­кон стін­ний, адже роз­гад­ка йо­го се­кре­ту – це шанс ру­ха­ти­ся так са­мо вправ­но, як фан­та­сти­чна лю­ди­на-па­вук.

При­ди­ви­ся до ці­єї тва­ри­ни ува­жні­ше. Ця ма­лень­ка тро­пі­чна ящір­ка вра­зить те­бе вмі­н­ням утри­му­ва­ти­ся пра­кти­чно на будь-якій по­верх­ні, а її рух – справ­ді за­хо­плю­ю­че ви­до­ви­ще! Ла­пки ге­ко­на роз­че­пи­ре­ні, на­че до­ло­ні, він пруд­ко ман­друє кру­ти­ми схи­ла­ми, під­ні­ма­є­ться вздовж глад­кої сті­ни зі швид­кі­стю 1 м на се­кун­ду, бі­гає до­го­ри но­га­ми по скля­ній сте­лі. І ра­птом за­ви­сає, утри­му­ю­чись на сті­ні ли­ше одні­єю ла­пкою! Не див­но, що ще з ча­сів Ари­сто­те­ля трю­ки ге­ко­на при­вер­та­ли ува­гу і за­га­ня­ли у глу­хий кут не одно­го при­ро­до­до­слі­дни­ка.

Паль­ці ге­ко­на при­ли­па­ють пра­кти­чно до будь-яко­го ма­те­рі­а­лу (ме­та­лу, де­ре­ви­ни, скла, гра­ні­ту) за ви­клю­че­н­ням су­пер­гі­дро­фо­бної по­верх­ні фтор­пла­сту – те­фло­ну. Во­ни ні­ко­ли не за­бру­дню­ю­ться, не зно­шу­ю­ться і не при-

ли­па­ють там, де ге­ко­но­ві не по­трі­бно. Як це мо­жли­во? Від­по­відь на це за­пи­та­н­ня вче­ні шу­ка­ли по­над 100 ро­ків.

Пер­ше, на що звер­ну­ли ува­гу до­слі­дни­ки, – у ге­ко­на не­має за­лоз, які б ви­ді­ля­ли се­кре­цію. За­ра­ди спра­ве­дли­во­сті тре­ба ска­за­ти, що про це знав ще ве­ли­кий ні­ме­цький при­ро­до­до­слі­дник Брем, який по­мі­стив зо­бра­же­н­ня ге­ко­на у свою зна­ме­ни­ту кни­гу „Жи­т­тя тва­рин”. Він не зна­йшов на ла­пках ге­ко­нів слі­дів клей­кої ре­чо­ви­ни.

От­же, це не клей. Що ж то­ді? Ме­ха­ні­чний за­хват? Про­яв ка­пі­ляр­них сил? Мо­жли­во, на ла­пках ге­ко­на є при­со­ски, як у во­сьми­но­га? При­ти­снув при­со­ску до по­верх­ні, „ви­гнав” по­ві­тря на­зов­ні, і зов­ні­шній тиск при­ти­сне ла­пку до по­верх­ні. Над­то про­сто для ге­ко­на, ме­ха­нізм при­ли­па­н­ня яко­го пра­цює на­віть у ва­ку­у­мі!

Мо­жли­во, і на ла­пках, і на по­верх­ні ін­ду­ку­ю­ться за­ря­ди про­ти­ле­жних зна­ків, а тва­ри­ну утри­му­ють еле­ктро­ста­ти­чні си­ли? Ця гі­по­те­за теж за­зна­ла по­раз­ки, бо за умов, ко­ли будь-який за­ряд з ла­пок зні­ма­ли, ге­кон три­мав­ся на вер­ти­каль­ній по­верх­ні, ди­ву­ю­чись не­до­лу­го­сті всіх, хто йо­го ви­вчав.

Вер­сію зче­пле­н­ня між шорс­тки­ми по­верх­ня­ми на­віть не роз­гля­да­є­мо – наш під­до­слі­дний за­ви­гра­шки утри­му­є­ться на скля­ній сте­лі…

Які ж то­ді си­ли утри­му­ють тва­ри­ну? З кін­ця ми­ну­ло­го сто­лі­т­тя вче­ні ви­вча­ли фе­но­мен ге­ко­на, і ли­ше на по­ча­тку XXI сто­лі­т­тя вда­ло­ся з’ясу­ва­ти, що це си­ли бли­жньої вза­є­мо­дії між мо­ле­ку­ла­ми, які на честь гол­ланд­сько­го фі­зи­ка на­зва­ли си­ла­ми Ван-дер-Ва­аль­са. Ці си­ли ді­ють між мо­ле­ку­ла­ми на ду­же ма­лень­ких від­ста­нях, а зі збіль­ше­н­ням від­ста­ні різ­ко змен­шу­ю­ться. Во­ни ду­же слаб­кі, і щоб втри­ма­ти ге­ко­на на

вер­ти­каль­ній по­верх­ні, не­об­хі­дна ве­ли­че­зна площа кон­та­кту між ла­пкою і по­верх­нею. І са­ме це за­без­пе­чує ре­льєф по­верх­ні чу­до-ла­пки.

На­но­ще­ти­ни­ста чу­до-лапка

Зро­зу­мі­ти, що лапка не про­ста, а ча­рів­на, мо­жна ли­ше ско­ри­став­шись еле­ктрон­ним мі­кро­ско­пом – де там здо­га­да­ти­ся Ари­сто­те­лю! На паль­цях тва­ри­ни є ма­ле­сень­кі гре­бін­ці, вкри­ті то­нень­ки­ми во­ло­син­ка­ми (ще­тин­ка­ми) зав­біль­шки 100 мі­кро­нів (0,1 мм). На одно­му ква­дра­тно­му сан­ти­ме­трі – пів­то­ра міль­йо­ни та­ких ще­ти­нок (мал. 2 б)! Ко­жна ще­тин­ка роз­га­лу­жу­є­ться на 400–1000 гі­ло­чок (мал. 2 в), а ко­жна гі­ло­чка за­кін­чу­є­ться три­ку­тною ло­па­ткою (мал. 2 г).

Та­ким чи­ном, на ко­жно­му ква­дра­тно­му сан­ти­ме­трі ла­пки ти на­ра­ху­єш по­над два мі­льяр­ди за­кін­чень! Щоб роз­мі­сти­ти та­ку кіль­кість люд­ських во­ло­син з гу­сти­ною се­ре­дньої ше­ве­лю­ри, зна­до­би­ло­ся б ці­ле фут­боль­не по­ле! Та­ка не­ймо­вір­на кіль­кість за­кін­чень збіль­шує пло­щу до­ти­ку з по­верх­нею, а от­же, на­віть слаб­кі си­ли мо­жуть утри­му­ва­ти ге­ко­на. По­да­ру­вав­ши ге­ко­ну та­ке ща­стя, При­ро­да ство­ри­ла для ньо­го не­ймо­вір­ний ме­ха­нізм при­сто­су­ва­н­ня, який ба­зу­є­ться не на хі­мі­чній бу­до­ві ре­чо­ви­ни ла­пок, а на їхній на­но­гео­ме­трії і про­я­ві ван­дер-ва­аль­сів­ських сил між­мо­ле­ку­ляр­ної вза­є­мо­дії, які ба­зу­ю­ться на кван­то­во-ме­ха­ні­чних ефе­ктах. Ми­мо­во­лі пе­ре­пи­ту­єш се­бе: це ево­лю­цій­ний сце­на­рій чи Ро­зум­ний За­дум?

На мал. 3 по­ка­за­на спро­ще­на мі­кро­ско­пі­чна кар­ти­на ме­ха­ні­зму зче­пле­н­ня ла­пки ге­ко­на з по­верх­нею. Ела­сти­чні во­ло­син­ки пов­то­рю­ють то­по­гра­фію по­верх­ні і при­крі­плю­ю­ться до неї.

Так, лапка справ­ді чу­де­сна! До то­го ж, усі її паль­ці з чи­слен­ни­ми ще­тин­ка­ми, во­ло­син­ка­ми­при­со­ска­ми ма­ють зда­тність до са­мо­очи­ще­н­ня.

За­ли­ша­є­ться з’ясу­ва­ти: а як ге­кон від­ри­ває ла­пку? Бо який сенс ма­ти ла­пку, яка на­мер­тво

при­ли­пає до по­верх­ні? І тва­ри­на зно­ву нас вра­жає: ге­кон при­ли­пає і від­ри­ває ла­пку 15 ра­зів на се­кун­ду! І ро­бить це лег­ко, бо си­ла зче­пле­н­ня за­ле­жить від ку­та між во­ло­син­ка­ми і по­верх­нею. Во­на збіль­шу­є­ться, якщо во­ло­син­ки ледь при­ти­сну­ти до по­верх­ні, а по­тім про­тя­гну­ти, змен­шив­ши кут (са­ме так ге­кон ста­вить ла­пку), і змен­шу­є­ться, якщо цей кут зро­стає. Зі змі­ною ку­та до­ти­ку во­ло­си­нок з по­верх­нею змен­шу­є­ться си­ла зче­пле­н­ня, і за ве­ли­ких ку­тів та не­ве­ли­ких зу­силь це за­без­пе­чує від­ри­ва­н­ня, а от­же, і швид­ке пе­ре­мі­ще­н­ня тва­ри­ни.

Си­ли, які пра­цю­ють на ла­пку ге­ко­на, не за­ле­жать від во­ло­го­сті, ти­ску, осві­тле­н­ня, за­бру­днень. За­ли­ша­є­ться при­ду­ма­ти, як зму­си­ти їх пра­цю­ва­ти і на нас. Зна­до­би­ло­ся б осо­бли­ве взу­т­тя для аль­пі­ні­стів, ко­смо­нав­тів, ро­бі­тни­ків-ви­со­тни­ків; не від­мо­ви­ли­ся б від на­но­ру­ка­виць во­ро­тар і ро­бот у від­кри­то­му ко­смо­сі, розробники ко­смі­чно­го лі­фту.

На шля­ху до до­ско­на­ло­сті

Уче­ні на­ма­га­ю­ться ско­пі­ю­ва­ти при­ро­дні на­но­те­хно­ло­гії ге­ко­на, які ба­зу­ю­ться на на­но­гео­ме­трії йо­го ла­пок і про­я­ві сил Ван-дер-Ва­аль­са. Однак жо­ден зі ство­ре­них ма­те­рі­а­лів по­ки що не зда­тен до са­мо­очи­ще­н­ня. Які ж успі­хи на­у­ки на сьо­го­дні­шній день?

По­лі­а­мі­дна стрі­чка („ка­птон”), 100 міль­йо­нів во­ло­сків на 1 см2, одно-дво­хра­зо­ва адге­зія.

Ли­пкий адге­зив­ний ма­те­рі­ал (мал. 4), 42 міль­йо­ни во­ло­кон на 1 см2 зав­довж­ки 15–20 мкм і ді­а­ме­тром 0,6 мкм. При­ли­пає не під ти­ском, а вна­слі­док ков­за­н­ня вздовж по­верх­ні, мі­цність кон­та­кту збіль­шу­є­ться за ра­ху­нок зги­ну во­ло­кон.

Ма­те­рі­ал Ге­кель (geckel = gecko + mussel, від англ. „gecko” – ге­кон, „mussel” – мі­дія) ство­ре­ний за прин­ци­пом ла­пок ге­ко­на і зда­тно­сті мі­дій ви­ді­ля­ти біл­ко­вий клей-адге­зив, який пра­цює на­віть під во­дою. Мо­жна за­сто­со­ву­ва­ти ли­ше на глад­ких і чи­стих по­верх­нях.

Ма­те­рі­ал у ви­гля­ді шкур­ки, на по­верх­ні якої роз­та­шо­ва­ні на­но­во­ло­син­ки. Адге­зія ви­ща, ніж на паль­цях ге­ко­на! Пра­кти­чно­го зна­че­н­ня не має че­рез ду­же ви­со­ку вар­тість те­хно­ло­гії. Але Пен­та­гон за­ці­ка­вив­ся.

Ма­те­рі­ал у ви­гля­ді щі­тки: над по­верх­нею стир­чить ліс ву­гле­це­вих на­но­тру­бо­чок, гео­ме­трія яких схо­жа на во­ло­син­ки на ла­пках ге­ко­на. Си­ла зче­пле­н­ня за­ле­жить від хі­мі­чної при­ро­ди і гну­чко­сті ма­три­ці, дов­жи­ни, ді­а­ме­тру во­ло­си­нок і їхньої кон­цен­тра­ції на по­верх­ні адге­зи­ву. З ви­ко­ри­ста­н­ням та­ко­го ма­те­рі­а­лу ви­го­то­ви­ли ігра­шко­во­го ве­дме­ди­ка ма­сою 2 кг, який зро­бив 5 кро­ків по вер­ти­ка­лі. Це ще не ге­кон, а тіль­ки шлях до ньо­го…

Істо­рія вив­че­н­ня се­кре­тів ла­пки ге­ко­на – це ще один при­клад роз­ви­тку на­но­те­хно­ло­гій шля­хом імі­та­ції прин­ци­пів біо­на­но­те­хно­ло­гій, які ду­же по­ши­ре­ні у при­ро­ді. Якщо кри­ти­чно по­ди­ви­тись на істо­рію роз­ви­тку люд­ської ци­ві­лі­за­ції, ми тіль­ки те й ро­би­мо, що „під­гля­да­є­мо”, а по­тім на­слі­ду­є­мо, імі­ту­є­мо при­ро­ду. З пе­ре­мін­ним успі­хом. Але, схо­же, ви­бо­ру в нас не­має. Ство­ри­ти до­ско­на­лі­ший ви­твір або ско­пі­ю­ва­ти те, що ство­ри­ла При­ро­да, лю­ди­ні по­ки що не вда­є­ться. То­му за впро­ва­дже­н­ням на­но­мі­ме­ти­ки6 у рі­зних га­лу­зях на­у­ки і те­хні­ки, ство­ре­н­ням на­но­во­ло­кон7, на­но­текс­ти­лю, на­но­одя­гу, на­нов­зу­т­тя з но­ви­ми і по­кра­ще­ни­ми вла­сти­во­стя­ми – на­ше май­бу­тнє.

Са­мо­очи­щу­валь­на стрі­чка Ан­дре Ге­йма 1Ма­лень­кий ге­кон ма­сою 50 г зда­тен утри­ма­ти ма­су у 40 ра­зів біль­шу за вла­сну.

2Адге­зія (лат. „adhaesio” – при­ли­па­н­ня, зче­пле­н­ня) –че­пле­н­ня (при­ли­па­н­ня, зли­па­н­ня) при­ве­де­них в кон­такт рі­зно­рі­дних твер­дих або рід­ких тіл (фаз).

3Гі­дро­фо­бна (від дав.-гр. „ûδωρ” – во­да і „φόβος” – страх) по­верх­ня „від­штов­хує” во­ду.

4Гі­дро­філь­на (від дав.-гр. „ûδωρ” – во­да і „Φιλία” – лю­бов) по­верх­ня змо­чу­є­ться во­дою.

Мал. 1. Стін­ні ге­ко­ни. З кни­ги А. Е. Бре­ма „Жи­т­тя тва­рин”

Мал. 2. Бу­до­ва ла­пки ге­ко­на. а – лапка, б – ще­тин­ки, в – одна ще­тин­ка, г – гі­ло­чки на ще­тин­ці, д – син­те­ти­чний ма­те­рі­ал, ство­ре­ний у ла­бо­ра­то­рії уні­вер­си­те­ту Бер­клі

г

в

Мал. 3. Схе­ма­ти­чне зо­бра­же­н­ня во­ло­си­нок, які при­сто­су­ва­ли­ся до

не­рів­но­стей по­верх­ні.

а

Мал. 2

бб

Якщо адге­зив зсу­ва­ти під ку­том, за­кру­че­ні на­но­труб­ки ство­рю­ють кра­щий кон­такт зі склом, і мі­цно три­ма­ю­ться

Адге­зив най­лег­ше від’єд­на­ти, тя­гну­чи пер­пен­ди­ку­ляр­но по­верх­ні, до якої він при­че­пле­ний

д

Скло

Мал. 4

Пря­мі на­но­труб­ки, за­кру­че­ні на

кін­цях Су­хий адге­зив, зро­бле­ний з кар­бо­но­вих на­но­тру­бок

Зче­пле­н­ня По­верх­ня гре­бін­ців

Мал. 5

Гре­бін­ці

Во­ло­син­ки

А

Від­че­пле­н­ня

Б Ло­па­то­по­ді­бні за­кін­че­н­ня во­ло­си­нок

6На­но­мі­ме­ти­ка (біо­мі­ме­ти­ка) – на­у­ко­ва га­лузь за­сто­су­ва­н­ня най­кра­щих ха­ра­кте­ри­стик жи­вих ор­га­ні­змів для роз­роб­ки най­но­ві­ших ма­те­рі­а­лів.

7Чи­тай не­за­ба­ром у жур­на­лі „КОЛОСОК” ста­т­тю Світлани Воль­ської „Ко­смі­чний ліфт: ре­аль­ність чи фан­та­зія?”.

Newspapers in Ukrainian

Newspapers from Ukraine

© PressReader. All rights reserved.