И прилипнет, и отклеится

Исследования ученых из Индийского технологического института под руководством Гатака Анимангсу привели к созданию принципиально нового клейкого материала. Идея разработки, как это часто бывает, была взята у природы. Ученых заинтриговал механизм, позволяющий животным, таким как древесные лягушки, муравьи и мухи, ползать по гладким отвесным преградам, не срываясь.

На сегодняшний день многие клейкие материалы используют простой и надежный способ приклеивания к поверхности. Вещество, обладающее высокой «прилипучестью», или, по-научному, адгезией, приводят в вязкую форму. При приложении силы это вещество заполняет все пустоты между двумя материалами, и площадь контакта двух фаз становится гораздо больше видимой площади поверхности, что создает предпосылки для очень прочного соединения. Такое вещество называют клеем.

Однако подобный способ склеивания имеет свои весьма существенные недостатки. Ввиду высокой адгезии материала попытка отклеить ленту скотча или наклейку приводит к разрыву в объеме клейкой массы или повреждению бумажной наклейки, а не отрыву одного материала от другого. Кроме того, клеящие вещества довольно быстро собирают на себе различные загрязнения, что еще более затрудняет их повторное применение.

Давно уже было замечено, что лапы геккона – небольшой тропической ящерицы – позволяют ему с легкостью перемещаться по нависающим веткам деревьев, не срываясь. При этом животному не приходится прилагать больших усилий для того, чтобы оторвать лапу и сделать следующий шаг. Кроме этого, лапы рептилии всегда остаются чистыми.

Оказалось, они покрыты тысячами тончайших ветвящихся волосков. Эти волоски заполняют даже самые мелкие неровности в структуре опоры, на которой находится конечность, и очень плотно прилегают к её поверхностному слою. В результате геккон прочно прикован к ветке благодаря сильному Ван-дер-Ваальсову взаимодействию (электрическое взаимодействие между двумя близкими молекулами, не контактирующими друг с другом). Чтобы оторвать лапу, он изменяет угол наклона волосков, моментально сводя на нет силы сцепления.

Изучив этот феномен, британские инженеры научились имитировать работу лапки ящерицы, создав пластик Synthetic gecko. А не так давно группа американских ученых смогла объединить достоинства «синтетического геккона» с преимуществами обычных клейких материалов, создав материал геккель.

Однако лапа геккона – не единственный пример для подражания.

Изучив строение лапки древесной лягушки, ученые из Индии сумели воспроизвести и применить структурированные поверхности в качестве адгезионных материалов. В своей работе ученые пошли несколько иным путем, нежели создатели геккеля. Вместо того чтобы увеличить адгезионные свойства материала, исследователи создали искусственные препятствия процессу разрушения связи.

Дело в том, что гладкая на первый взгляд лапка лягушки при более детальном рассмотрении оказывается разделенный на гексагональные участки, подобные пчелиным сотам. В микроканалы, разделяющие поверхность, организм лягушки выделяет особый секрет. Несмотря на это, механизм сцепления лапки и поверхности носит скорее микрокапиллярный характер, нежели вязкостный или адгезионный (межмолекулярный).

В случае обыкновенных адгезионных материалов разделение поверхностей начинается от точки приложения максимального усилия и происходит лавинообразно. При попытке разорвать соединение поверхностей с микроструктурой капилляр (микроканал) встает на пути распространения разрыва: в этом случае энергия отрыва затрачивается на деформацию микрокапилляров, требуя тем самым приложения дополнительных усилий.

Для получения количественных данных ученые использовали в качестве сравнения обычную полимерную пленку, покрытую слоем клеящего вещества. Эксперименты же проводились на аналогичных материалах с микроструктурированной поверхностью. Ключевую роль в увеличении сопротивления распространению разрыва, по данным индийских ученых, играет соотношение толщины слоя клейкого вещества к ширине капилляров.

Исследователи установили, что, варьируя это соотношение, они способны вдвое повышать стойкость соединения к разрыву. Еще более увеличить этот эффект позволяет применение силиконового масла вместо воздуха в качестве наполнителя капилляров. В этом случае в каждом структурном элементе поверхности («соте») образуется отрицательное избыточное давление, и она функционирует в качестве присоски. Такой материал по сравнению с базовым требует для разъединения поверхностей приложения силы в 25 раз большей.

Более того, изменяя наполнение капилляров в реальном времени, можно создать материал с регулируемой адгезионной способностью.

В отличие от материала геккель материал, полученный Гатака Анимангсу и его коллегами должен быть более долговечным, дешевым и простым в изготовлении. Создание геккеля осложнено получением миллиардов тончайших ворсинок с минимальным распределением по толщине. Кроме того, с течением времени эти ворсинки все-таки скатываются, значительно ухудшая свойства материала.

Всё это обещает большое будущее индийскому материалу. Впрочем, испытать его на практике лишь предстоит, в то время как геккель и Synthetic gecko уже пытаются использовать.