Materiał przyczepny jak łapy gekona

gekon

Od lat naukowcy próbują wyprodukować materiał, umożliwiający przyklejanie się przedmiotów do różnego rodzaju powierzchni, takich jak płyty gipsowo-kartonowe, drewno, metal i szkło. Teraz, kompozyt inspirowany odnóżami gekona doczekał się nowej, bardziej uniwersalnej wersji. Badacze z University of Massachusetts Amherst w Stanach Zjednoczonych zaprezentowali udoskonalony materiał o znakomitej przyczepności, pozwalający na przenoszenie dużych obciążeń, przy jednoczesnym zachowaniu możliwości łatwego “odklejania”.

Gekony z gatunków nadrzewnych charakteryzują się niezwykłą zdolnością przylegania do powierzchni i wspinania się nawet po pionowo ułożonych, makroskopowo gładkich materiałach. Mogą one nawet zwisać z sufitu przytrzymując się wyłącznie jedną nogą, bez pozostawiania widocznych śladów. Odpowiednio ukształtowane palce gekonów zapewniają bezpośrednie przyleganie do ciał bez udziału cieczy i towarzyszącego im zjawiska napięcia powierzchniowego. Na spodniej części spłaszczonych palców znajdują się bowiem specjalne twory (lamellae), pokryte mikroskopijnymi wyrostkami skórnymi (setae), o średnicy 5 mikrometrów (średnica włosa u człowieka to zakres od 18 do 180 mikrometrów). Z kolei każdy włos zakończony jest “łopatkami” (spatulae), o długości 0,2 mikrometra. W uproszczeniu, wykształcone na skutek ewolucji miliony włosków podczas kontaktu z dowolną powierzchnią uginają się, doprowadzając do kontaktu z przedmiotem także krótszych nanowłosków. Na każdy milimetr kwadratowy łapy gekona przypada około 14.000 włosów, przypominających elastyczną szczecinę. Duża liczba punktów zaczepienia oraz całkowita wielkość powierzchni jest wystarczająca, aby zapewnić wymaganą adhezję. Przyleganie jest możliwe głównie na skutek oddziaływań van der Waalsa. Ostatnie badania wykazały jednak, iż mechanizm jest nieco bardziej skomplikowany, ponieważ oprócz szczeciny i układu krwionośnego ważną rolę spełniają, fosfolipidy – substancje tłuszczowe naturalnie produkowane w organizmie. To właśnie te lipidy niejako “smarują” włoski i pozwalają gekonom odłączyć nogę od powierzchni przed następnym krokiem. Ponadto, kończyny gekonów są hydrofobowe i posiadają zdolność samooczyszczania z piasku, kurzu, pyłków, co jest nieodłącznym elementem sprawnego działania nanostruktury.

Poprzednio, inżynierowie z USA skupili się przede wszystkim na odtworzeniu struktury nanowłosków. Tym razem zmodyfikowali nieco koncepcję i postanowili naśladować zmiany geometrii powierzchni, wywodzące się ze zintegrowanego systemu połączenia skóry, ścięgien i kości gekona. Jak wyjaśniają autorzy, kluczem do silnego połączenia między ciałami było stworzenie materiału łatwo dopasowującego się do pożądanej powierzchni, przy zachowaniu maksymalnej sztywności.

Produkt o nazwie “Geckskin” to kompozyt łączący materiały o różnych właściwościach. Badacze wykorzystali miękkie elastomery oraz bardzo sztywne elementy, takie jak szkło i tkaniny z włókien węglowych. Przez odpowiednie “dostrajanie” sztywności (proporcje i ułożenie składowych materiałów) można było optymalizować kompozyt dla wielu zastosowań. Odkształcenia (rozciąganie, ścinanie i zginanie) powodowane naprężeniami (obciążeniem) szeregowo uporządkowanych elementów kompozytu wpływały na zwiększenie wydajności sił adhezji.

Dla sprawdzenie poprawności założeń oraz porównania własności, badacze stworzyli trzy różne próbki. Przyleganie materiałów oraz łap jaszczurki Toke z rodziny gekonowatych testowano na wielu powierzchniach (m.in. szkle, aluminium, pomalowanej farbą ścianie i teflonie). Jedna z szablonowych wersji Geckskin przewyższała w kwestii przyczepności na wszystkich badanych powierzchniach nawet kończyny żywego gekona. Zgodnie z obliczeniami, dociśnięta do danego obiektu taśma o wymiarach 10 x 10 cm powinna utrzymać obciążenie 300 kg. Aby “odkleić” taki materiał wystarczy zwyczajnie pociągnąć go w określonym kierunku, dzięki czemu odchodzi on praktycznie bez żadnego wysiłku.

Naukowcy przekonują, że ich technologia da możliwość wygodnego przyczepienia do ścian i sufitów nie tylko gadżetów elektronicznych, ale także sprzętu medycznego. Co ważne, łatwe mocowanie wielokrotnego użytku nie pozostawia po sobie żadnych śladów oraz niepotrzebnych otworów, jak w przypadku konwencjonalnych metod.

Źródło:
[1] Daniel R. King, Michael D. Bartlett, Casey A. Gilman, Duncan J. Irschick, Alfred J. Crosby. Creating Gecko-Like Adhesives for “Real World” Surfaces. Advanced Materials, 2014; DOI: 10.1002/adma.201306259
[2] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201306259/abstract [23.04.2014]
[3] http://www.umass.edu/newsoffice/article/gecko-adhesives-now-useful-real-world [23.04.2014]
[4] http://www.adhesionsociety.org/wp-content/uploads/2014_Annual-Meeting/Abstracts/King_2014_Extended_Abstract.pdf [23.04.2014]
[5] http://en.wikipedia.org/worn Christian Torrissen, CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *