10.10.2008

Человек-паук на нанотрубках

Прилипчивые материалы в подражание лапам геккона – не новость, однако лишь сейчас учёным удалось превзойти ящерицу в силе сухого сцепления с поверхностью. Углеродные нанотрубки и смекалистая модификация метода их осаждения на поверхности помогли реализовать подсмотренную у рептилии иерархическую структуру волосков.

Вряд ли разработчиками адгезионных материалов на основе лап ящерицы геккона двигала зависть, однако техника, похоже, дошла до того, что теперь уже и ящерица позавидует открытию американских ученых.

Разработка новых клейких материалов началась давно и не думает приходить к какому-то логичному завершению – количество технологических и бытовых задач, требующих что-то приклеить, прицепить, повесить или завернуть, растет с каждым днем. Однако до последнего времени в распоряжении самого разного круга профессионалов был только клей, скотч и двусторонний скотч.

Потребитель меж тем настойчиво требует на рынке материала, способного хорошо приклеиваться и так же хорошо отклеиваться от любой поверхности, использоваться неограниченное количество раз, не оставлять следов, не рваться, не пачкаться и быть недорогим.

Понимая, что смотрят куда-то не туда, ученые решили как следует осмотреться по сторонам и уже довольно давно обнаружили у себя под носом замечательную ящерку – геккона – обладающую способностью карабкаться по абсолютно гладким поверхностям.

Эту способность они и решили использовать при разработке нового многоразового адгезионного материала.

Выяснилось, что геккон своими уникальными способностями обязан волоскам, покрывающим лапки. Они имеют ветвистую структуру и заканчиваются тоненькими и длинными волосиками толщиной всего 0,2 микрометра. Благодаря последним лапки геккона развивают очень большую площадь соприкосновения с поверхностью, на которой вступают в действие силы межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Они-то и удерживают геккона на отвесной поверхности.

Скопировать лапы ящерки пытались уже не раз, использовались для этого и полимерные волокна, и клейкие наполнители. Однако главное создатели подобных материалов, судя по всему, разглядели лишь сейчас – для «прилипучести» важны не количество или толщина волосков, а иерархичная структура упорядочения волокон от больших к маленьким.

Воссоздать её в своеобразном стиле удалось Чжуну Линь Вану из Дайтонского университета в форме макроматериала на основе углеродных нановолокон. Статья о проделанной его научной группой работе опубликована в Science.

Углеродные нановолокна давно напрашивались на применение в «гекконовых материалах» и по всем теоретическим расчетам должны были развивать сцепление с поверхностью не менее чем 500 ньютонов на квадратный сантиметр. Более того, эксперименты с помощью атомного сканирующего микроскопа, способные количественно оценить силу прилипания к поверхности гладкого стекла одной-единственной углеродной нанотрубки, подтвердили эти расчеты. Однако макроскопические материалы, созданные на основе массивов вертикально выстроенных углеродных нанотрубок, показали куда меньшую «прилипчивость».

Здесь стоит оговориться, что степень сцепления лап геккона и массивов углеродных нанотрубок различна в зависимости от прилагаемого к ним усилия. Если геккон тянет лапу перпендикулярно поверхности, то он практически не прилагает усилия для того, чтобы оторваться от стенки. Если же хоть небольшое усилие прилагается вдоль поверхности, лапа оказывается надежно сцепленной с опорой.

Секрет в том, что при нагрузке вдоль нормали волоски оказываются соединены с поверхностью только своими кончиками, что резко сокращает площадь контакта, следовательно, и величину Ван-дер-Ваальсового взаимодействия. При нагрузке, параллельной поверхности, волоски оказываются прижатыми к опоре вдоль своей длины, что значительно увеличивает степень межмолекулярного притяжения.

Для реализации подобных анизотропных свойств в нанотрубках Вану пришлось задуматься о методе получения иерархичной структуры углеродных ворсинок, аналогичной гекконовой.

Решение принес метод химического осаждения из газовой фазы. Такой метод уже давно и активно применяют для выращивания вертикально выстроенных углеродных нанотрубок. Он заключается в термическом разложении органического прекурсора над поверхностью подложки, на которой затем растут трубки и нановолокна. Оказалось, что если провести такой эксперимент при пониженном давлении, то первоначально очень толстые и жесткие трубки под конец синтеза заметно утончаются, начинают виться и куститься.

Потому, когда материал на основе таких нанотрубок приживается к поверхности, а затем к нему прилагается нагрузка вдоль поверхности, он способен развить усилие сцепления порядка ста ньютонов на квадратный сантиметр – это в три раза больше силы сцепления геконовых лап. Если же вы хотите оторвать материал от поверхности – просто потяните его в направлении нормали. В этом случае сила сцепления не превысит двадцати ньютонов. Это первый искусственный «гекконовый» материал, о применении которого ученые смогли высказаться более или менее серьезно.

Так, сухой адгезив может найти свое применение в космической индустрии – в условиях космического вакуума нет возможности использовать обычные смазочные материалы и привычные нам липкие покрытия, так как последние быстро испаряются и (или) не выдерживают агрессивно переменного температурного режима. Сухой адгезионный материал лишен подобных недостатков.

Еще одним немаловажным достоинством материала является электропроводность углеродных нанотрубок. По мнению Ванна, это свойство позволяет использовать новый материал для соединения между собой элементов электрических схем.

Новый метод будет так же надежен, как и пайка, однако в этом случае можно будет обойтись без нагревания, во многих случаях опасного для полупроводниковых микросхем.

Сейчас команда химиков занимается полевыми испытаниями материала. Они исследуют влияние загрязнителей поверхности на долговременное функционирование адгезива и, вероятно, проводят расчеты – сколько такого материала понадобится, чтобы удержать вес молодого человека атлетического телосложения, из одежды носящего только обтягивающий красный костюм.

Источники:

1. Газета.Ru