Капилляры-прилипалы

«Отчего люди не летают так, как птицы?» – задавалась вопросом Катерина из пьесы Островского «Гроза». А вот ученые из школы химической и биомолекулярной инженерии при Корнельском университете (США) задались вопросом, почему люди не могут перемещаться по вертикальным стенам, подобно насекомым, пусть это и звучит не так романтично, как полет.

Первые шаги к тому, чтобы обычный человек мог стать «человеком-пауком», судя по всему, сделаны. Во вторник в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences опубликована статья Михаэля Фогеля и Пола Стина под названием «Основанная на капиллярах переключаемая адгезия». Адгезией, как известно, называется явление сцепления разнородных жидких или твердых тел в местах контакта их поверхностей, и ее примерами в повседневной жизни являются склейка, пайка, нанесение покрытий и т. п. Авторы статьи рассказывает о работе по конструированию устройства размером с ладонь, которое за доли секунды «прилепляется» к любой поверхности (в том числе вертикальной), хорошо держится на ней, но при этом за доли секунды может и «отлепиться». Подобным устройством природа снабдила жуков-листоедов, которые способны прикрепляться к листу дерева с силой, в 100 раз превышающей их вес, но при этом мгновенно способны оторваться от него.

Тщательно приглядевшись к жукам-листоедам, ученые создали подобное устройство.

Оно пока не поражает своими техническими данными: до того чтобы удерживать вес человека на вертикальной стене, еще далеко.

Однако в ходе одного из опытов на устройство, «прилепившееся» к стене, было подвешено более 70 канцелярских скрепок, что составляет чуть более 30 граммов. В другом опыте устройство, прикрепленное к горизонтальной поверхности снизу, смогло удержать небольшую шоколадку.

Но расчеты показывают, что теоретически возможно получить образец, который будет выдерживать и более ста килограммов.

Устройство Фогеля и Стина получило название SECAD (Switchable electronically-controlled capillary adhesion device, в переводе с английского «переключаемое электроуправляемое устройство капиллярной адгезии»). Устройство состоит из трех слоев: резервуара, наполненного жидкостью (сначала это была вода, затем ученые попробовали масло), пористого материала и пластины, которая содержит порядка тысячи маленьких отверстий, каждое размером несколько сот микрон.

Принцип работы SECAD заключается в том, что, когда через жидкость проходит небольшой электрический ток, она поднимается из резервуара до уровня отверстий и, если этот уровень граничит с какой-то поверхностью, жидкость сцепляется с ней, устанавливая, как пишут авторы работы, «мостики» за счет сил межмолекулярного взаимодействия.

«В нашем опыте эти силы были довольно слабыми», – признался Стин, добавив, что от такого устройства можно добиться гораздо большей эффективности.

Согласно расчетам, которые приводятся в статье, устройство, в котором будет 6400 дырок размером ровно 100 микрон, сможет удерживать предмет весом 13 грамм. Если размеры отверстий уменьшить до одного микрона, а их количество увеличить в десять тысяч раз, устройство сможет выдерживать вес более килограмма.

Уменьшение отверстий до размера 0,01 микрона и увеличение их количества до 6,4·10¹¹ должно привести к тому, что устройство будет выдерживать вес 130 кг!

Впрочем, все это пока является результатом расчетов, и ученые пока не могут достоверно сказать, не возникнут ли какие-нибудь проблемы, связанные с уменьшением размера отверстий. В этом и заключается одно из направлений дальнейшей работы Фогеля и Стина. Кроме того, они хотят улучшить механизм, благодаря которому происходит уровень подъема жидкости.

Своему устройству ученые видят и другое возможное применение.

Жидкость через капилляры оказывает на поверхность действие, сравнимое с тем, как если бы на нее одновременно обрушилось множество ударов небольшой силы. Но в совокупности это может выглядеть как большой удар. Поэтому, если, скажем, на трещину в деревянной или стеклянной поверхности поместить данное устройство и надавить на него, можно ожидать, что поверхность будет сломана окончательно. «Это очень забавная вещь – такое устройство для взлома размером с кредитную карту», – заявил Стин.

Если дальнейшие работы Фогеля и Стина окажутся успешными, то вскоре благодаря новому устройству любой человек сможет, как известный скалолаз и билдер Ален Робер (на верхнем фото), подниматься по стенам на крыши известных небоскребов без всякой страховки.