Ходить и бегать, как геккон

Живая природа необычайно разнообразна, все еще таинственна и лишь постепенно раскрывает свои тайны. Наука «добралась» до решения загадки, которая интриговала многих людей в течение тысячелетий: почему некоторые ящерицы способны без труда удерживаться на гладких вертикальных поверхностях? Развивающаяся нанотехнология уже в ближайшие годы позволит применить разгадку в практических целях.

Маленькие, толстые, словно приплюснутые безобидные ночные чешуйчатые ящерицы семейства гекконовых, которые живут на деревьях и скалах, в домах и пещерах, в течение многих веков привлекали к себе внимание из-за необычной способности легко передвигаться по вертикальным поверхностям и даже зависать на одном пальце на потолке. О них сложили множество невероятных легенд. Еще в IV в. до н.э. Аристотель писал, что они живут в кладовых и могилах, спят в яслях, залезают ослам в уши и мешают им есть, что они ядовиты и способны спать по четыре месяца в году.

Короткие пальцы многих гекконов снизу имеют кожистые подушечки, которые состоят из поперечно лежащих роговых пластинок различной величины и формы. У широкопалых гекконов листовая подушка покрывает всю нижнюю поверхность пальцев. Сюда относятся стенные гекконы, показанные на рисунке из книги А.Э.Брема (рис. 1).

Гекконы могут не только ходить по стенкам, но даже шустро бегать по ним и заслужили прозвище цепкопалых. Скорость бега вверх необычайно велика: до 1 метра в секунду! Они освоили пространства, недоступные для большинства их врагов.

Загадку «липучести» пальцев гекконов пытались разгадать многие. Известный немецкий естествоиспытатель и просветитель А.Э.Брем (1829–1884), автор знаменитой книги «Жизнь животных», пишет, что у них нет никакой «липкой влажности», и ссылается на исследователей, которые полагали, что «гекконы с помощью листочков образуют пустое пространство и таким образом крепко держатся лапами… Правда, прикосновение к присоскам дает ощущение липкости, однако никакого клейкого вещества… не приметил ни один исследователь… Животное пристает к предмету только благодаря воздушному давлению…»

Лишь в 2002 г. загадка «липучести» пальцев гекконов была решена. В сентябрьском номере журнала «Proceedings of the National Academy of Sciences» («Труды Национальной академии наук») были опубликованы результаты исследования ученых из нескольких университетов США и Колледжа Льюиса и Кларка (Портленд, США), согласно которым «липучесть» обязана вандерваальсовым силам. «Через два тысячелетия после Аристотеля, – писали авторы статьи, – мы раскрыли секреты того, как гекконы используют миллионы крошечных волосков на лапках для удерживания на молекулярно-гладких поверхностях». На подушечках пальцев цепкопалых ящериц имеется множество щетинок, каждая щетинка несет сотни еще более мелких волосков диаметром в сотни нанометров. Вершинки волосков утолщены и содержат своеобразные лопаточки (спатулы), которые сбоку напоминают треугольники со сглаженными углами, а сверху выглядят как присоски. Спатулы могут изгибаться, приспосабливаясь к неровностям поверхности. Изложенное выше изображено мною на рисунке схематически (рис. 2).

В верхней части рисунка показана шероховатая поверхность, к которой прикрепился геккон. Ниже идут тонкие волоски со спатулами (в действительности их должно быть гораздо больше), а еще ниже представлен кончик щетинки.

Расчетами и экспериментами было доказано, что вода и капиллярные силы не играют никакой роли в «прилипании» пальцев гекконов. Силу связи с поверхностью одного волоска со спатулой удалось измерить.

Более того, в статье утверждалось, что «люди, вдохновленные биологией, могут создать первые сухие микроструктурированные адгезивы». Для этого не требуется «точно воспроизводить сложную структуру щетинок гекконов, а надо лишь использовать принципы, сложившиеся в ходе эволюции».

Публикация вызвала большой интерес и стимулировала появление новых привлеченных к подобным исследованиям и разработкам «команд» ученых в разных странах.

Оставалась еще одна проблема: почему кончики волосков гекконов не загрязняются и постоянно сохраняют способность «прилипать». Биологи из Колледжа Льюиса и Кларка, которые принимали участие и в упомянутой выше работе, показали, что волоски цепкопалых ящериц обладают способностью самоочищаться. В январе 2005 г. в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences» появилась их статья с расчетами, которые показали, что здесь дело уже не в химии, а в геометрии. Это значит, что синтетические «самоклеющиеся» поверхности могут быть созданы из самых разнообразных материалов.

Способностью свободно перемещаться по стенам и потолку и не падать обладают многие пауки и насекомые. Был создан фантастический кинофильм, супергерой которого – человек-паук – проявлял такие же необычные способности. В 2004 г. ученые из немецкого Института технической зоологии и бионики вместе с коллегами из Швейцарии показали, что и прыгающие пауки используют вандерваальсовы силы. На ножках некоторых видов пауков с помощью электронного микроскопа были обнаружены волоски размерами порядка нанометров, кончики которых и прикрепляются к поверхности.

Измерения показали, что сила сцепления очень велика: паук может без труда удерживать и нести по стенке груз, превышающий его собственный вес в 170 раз. Это значит, что нормально развитый человек массой 75 кг мог бы удержать больше 12 тонн! Силу притяжения ящерицы меняют, слегка изменив угол между волосками и поверхностью.

В многочисленных комментариях после публикации статьи в журнале «Smart Materials and Structures» («Разумные материалы и структуры») в мае 2004 г., как и в публикации о загадке гекконов, тоже говорилось о перспективах практического использования наблюдаемого явления. Обсуждались возможности создания ботинок для космонавтов, вратарских перчаток, устойчивых на скользкой дороге автомобильных шин и многих других изделий. Всерьез запланирована разработка роботов для работы на поверхности станций или спутников в открытом космосе. Говорилось о преимуществах перспективных способов связи. На вандерваальсовы силы не влияют изменения в окружающей среде: увеличивается ли влажность, меняется ли освещение или давление. После удаления прикрепленных устройств (например, датчиков) на поверхностях не остается никаких следов, как после клейкой ленты, скотча и др.

Действие вандерваальсовых сил приводит к более легкой конденсации крупных (следовательно, более насыщенных электронами) атомов инертных газов и молекул двухатомных галогенов. Межмолекулярные силы слабы и действуют на очень коротких расстояниях. Они лишь ненамного превосходят энергию термического движения молекул и составляют до 3–4 кДж/моль. Однако их роль возрастает, например, при отсутствии силы тяжести и особенно у частиц с размерами порядка нанометров. В открытом космическом пространстве, где сила тяжести невелика, на поверхности Луны или Марса, где эта сила значительно меньше, чем на Земле, поведение мелких частиц пыли отличается от привычного и может представлять опасность для космонавтов.

В мире наночастиц неорганических веществ вандерваальсовы силы могут проявлять себя весьма явственно. К наноматериалам, которые сегодня благодаря своим уникальным свойствам не только широко исследуются, но и выпускаются в промышленном масштабе, относятся, например, углеродные нанотрубки. Эти трубки образуются при сворачивании графенов (плоских слоев с атомами углерода в углах сочлененных шестиугольников, см. газету «Химия», 2000, № 17, 23; 2001, № 9) и бывают однослойными, двухслойными и многослойными. Вандерваальсовы силы проявляются здесь в том, что тонкие нанотрубки образуют сростки, напоминающие канаты. Благодаря сравнительно большой (по атомным меркам) длине нанотрубок число взаимодействующих атомов боковых поверхностей соседних нанотрубок оказывается очень большим, что и является причиной высокой прочности сростков. Это явление вызывает головную боль многих исследователей и технологов, поскольку сростки не дают индивидуальным трубкам в наибольшей степени проявить свои замечательные свойства.

Если углеродные нанотрубки поместить на поверхность или друг на друга крест-накрест, они в результате действия вандерваальсовых сил несколько сплющиваются. Те же силы действуют и на частицы аморфного углерода, притягивая их к поверхности углеродных нанотрубок.

Однако вернемся к «липучести» ящериц и пауков.

Если человек когда-нибудь приобретет способность забираться вверх по стенам подобно паукам, то это будет лишь благодаря исследованиям в области нанотехнологии. Сотрудникам компании «Nanosys» (надо полагать, от слов «нано» и «система») в г. Пало-Альто (США), удалось создать материал в виде шкурки, содержащей некое подобие волосков гекконов. Директор отдела развития производства Боб Дуброу сообщил, что изобретение компании по прочности адгезии к поверхностям в 2,5 раза превосходит свойственную гекконам. Это значит, что 70-килограммовый мужчина вполне мог бы забираться вверх по стене. К изобретению проявили интерес военные ведомства, однако Дуброу заявил, что из-за очень высокой цены пока еще рано говорить о выпуске армейских ботинок нового типа.

А.Гейм с сотрудниками из университета Манчестера (Великобритания), по сообщению журнала «Nature Materials» («Природа–Материалы»), с помощью литографической техники в 2003 г. создал подобие волосков геккона из материала «каптон». На одном квадратном сантиметре их размещалось до 100 миллионов, а все вместе они были способны удержать килограммовый вес.

Еще более интересно сообщение, опубликованное в журнале «Chemical Communications» («Химические сообщения», 2005, № 30). Исследователи Университета Акрон в Огайо и Политехнического университета Ренсселер (США) под руководством профессора П.Аджаяна в качестве имитаторов волосков геккона использовали структуры из многослойных углеродных нанотрубок.

По размеру углеродные нанотрубки близки к спатулам, что и позволило имитировать замечательный «инструмент» геккона. Определенные соотношения длины и диаметра, жесткости и плотности размещения спатул обеспечивают достаточные вандерваальсовы силы, чтобы удерживать геккона на поверхности.

Вот как это было сделано технически. На поверхности кварца или кремния методом химического осаждения из газовой фазы вырастили многослойные углеродные нанотрубки длиной 50–100 микрон. «Лес» из вертикально выстроенных трубок затем погрузили в полимерную матрицу, сняли полученную пленку с поверхности и частично удалили полимер с поверхности, получив подобие щетки. Вот эта щетка и проявляла необычно высокую способность «прилипать» к поверхностям. При этом сила прилипания у нанотрубки оказалась в 200 раз больше, чем у одиночного волоска геккона.

Пока трудно предсказать, появятся ли перчатки или ботинки для ходьбы по стенам: надо научиться менять силу притяжения простым способом. Но то, что необычные способности гекконов перестали быть таинственными и вскоре будут использоваться на практике, уже не вызывает сомнений.

Э.Г.РАКОВ,
профессор кафедры
нанотехнологии и наноматериалов