ПРИМЕНЕНИЕ  НАНОСТРУКТРУИРОВАНОГО  МАТЕРИАЛА,  РАЗРАБОТАННОГО  НА  ОСНОВЕ  СТРОЕНИЯ  ЛАП  ЯЩЕРИЦЫ  ГЕККОН

Батыров  Данияр  Шардарбекулы

студент  4  курса,  департамент  Химической  Инженерии,  Школа  Инженерии  НУ,  Республика  Казахстан  г.  Астана

E-mail:  

Нариман  Олжас

студент  4  курса,  департамент  Механической  Инженерии,  Школа  Инженерии  НУ,  Республика  Казахстан  г.  Астана

E-mail:  

Муханов  Нуржан  Кайратович

студент  4  курса,  департамент  Механической  Инженерии,  Школа  Инженерии  НУ,  Республика  Казахстан  г.  Астана

E-mail:  

Сай  Чеонг  Фок  (Sai  Cheong  Fok)

научный  руководитель,  PhD ,  Школа  Инженерии  НУ,  Республика  Казахстан,  г.  Астана

Кожа  ящерицы  геккон  одна  из  самых  загадочных  и  интересных  творений  природы.  Гекконы  способны,  без  каких  либо  трудностей,  карабкаться  по  отвесной  стене  и  разным  поверхностям,  не  используя  при  этом  никаких  клейких  веществ.  Главный  секрет  заключается  в  особенности  строения  лапы  ящерицы.  Технологии,  основанные  на  данном  строении,  могут  быть  внедрены  в  разные  сферы,  начиная  от  повседневной  жизни  и  заканчивая  космонавтикой.  В  статье  будут  приведены  принцип  действия,  структура  и  сферы  применения  материала  основанный  на  липучих  свойствах  геккона.

С  момента  обнаружения  липучих  свойств  у  ящериц,  существовало  несколько  научных  гипотез  о  принципе  работы  данного  механизма.  Одними  из  первых  были:

·     выделение  специальных  желез

·     сила  трения

·     принцип  воздушной  присоски

·     электростатическое  притяжение.

Но,  все  перечисленные  предположения  со  временем  были  экспериментально  опровергнуты.  В  итоге,  с  появлением  электронных  микроскопов  ученые  выяснили  истинный  механизм  цепкости  конечностей  ящериц.  Применяя  увеличивающие  приборы,  было  открыто,  что  пальцы  лап  данных  видов  ящериц  состоят  из  огромного  количества  лопатчатых  волосков,  закрепленных  вершинами  в  основание  кожи.  Более  поздние  открытия  раскрыли  концепцию  липучести  волосков  через  силы  Ван-дер-Ваальса,  принцип  чего  мы  разберем  в  следующем  параграфе  [4].  Итак,  липучесть  лапок  этих  пресмыкающихся  определяется  не  химическим,  а  механическим  процессом.  Ван-дер-Ваальсовы  силы  межмолекулярного  взаимодействия  и  являются  причиной  этого  особенного  природного  явления.  Используя  метод  Ван-дер-Ваальса,  мы  понимаем,  что  клейкость  конечностей  ящериц  зависит  напрямую  от  размеров  и  формы  волоска  щетины.  Имея  модель  этого  щетинистого  покрова  и  измеряя  силу,  приложенную  к  ней  во  время  ее  действия  на  поверхности,  можно  определить  размеры  и  форму  каждого  волокна  данного  материала.

Рассматривая  теоретический  аспект,  силы  Ван-дер-Ваальса  это  силы  притяжения  между  электрически  нейтральными  молекулами  [7].  Ван-дер-Ваальсовы  силы  образуются,  когда  электронно-богатая  часть  молекулы  притягивается  электронно-недостаточной  областью  другой  молекулы.  И  эта  сила  многократно  увеличивается  из-за  специфики  волосяной  поверхности  липучего  материала.  Одна  такая  фибра  сопоставима  с  десятой  частью  человеческого  волоса  [6].  Следовательно,  наличие  более  плотной  поверхности  и  определяет  силу  цепкости  покрова.

Также,  следует  отметить  особенность  движения  этих  пресмыкающихся.  При  проведении  серии  экспериментов  было  выведено,  что  при  подведении  липучего  материала  перпендикулярно  к  поверхности  объекта  свойство  практически  отсутствует,  так  как  требует  нанесения  под  углом  или  вдоль  поверхности.  Вдобавок,  лапки  таких  ящериц  производят  процесс  самоочищения  в  случае  попадания  на  них  мелких  частиц.  В  ходе  лабораторных  работ  группа  ученых  нанесла  сферические  частицы  радиусом  2,5  микрометра,  в  результате  чего  эффективность  липучих  свойств  понизилась  примерно  в  11  раз  [1].  Несмотря  на  это,  продолжив  эксперименты,  ученым  удалось  увеличить  эффективность  прилипания  загрязненного  материала  за  счет  повторения  действия.  Таким  образом,  за  8  повторений  приложения  модели  к  поверхности  объекта  липучие  свойства  удалось  увеличить  в  5  раз.  Объясняется  это  снова  силами  Ван-дер-Ваальса,  так  как  силы  межмолекулярной  связи  между  волокном  и  сферической  частицей  заметно  меньше  данного  притяжения  частицы  с  поверхностью  объекта.  В  результате,  с  каждым  прикосновением  модели  липучего  материала  все  больше  ‘загрязняющих’  частиц  оставалось  на  объекте,  освобождая  поверхность  щетинистого  материала  для  более  эффективного  сцепления.

На  сегодняшний  день  один  из  самых  последних  способов  получения  материала  аналогичного  по  свойствам  лап  геккона  это  углеродные  нанотрубки.  Cтруктура  углеродных  нанотрубок,  наносимых  на  эластичную  ленту  (гекконовская  ленты),  может  выдерживать  силу  в  36  ньютон  [9].  Поперечная  сила,  в  таких  трубках,  в  четыре  раза  больше  по  сравнению  с  силой  в  волосках  на  лапах  настоящего  геккона,  и  в  десять  раз  больше,  по  сравнению  с  силой  в  полимерных  трубках  [9].  Также  углеродные  нанотрубки  показывают  аналогичные  результаты,  как  на  гидрафобных,  так  и  на  гидрофильных  поверхностях  [9].  Полимерные  нанотрубки  были  разработаны  профессором  Пуликелем  Н.  Аджаяном,  специалистом  по  материаловедению  и  нанотехнологиям  из  университета  Райс,  а  также  профессором  Али  Дайножволой,  специалистом  в  сфере  полимеров  из  университета  Акрон  [5].

Рисунок  1.  Увеличенные  изображения  лапы  геккона  и  углеродных  нанотрубок  [9]

На  рисунке  1  (А  и  Б)  изображены  лапа  геккона  в  реальном  масштабе,  и  увеличенная  до  75  нанометров,  при  этом  диаметр  каждого  волоска  на  лапе  —  25  мкм.  Рисунок  1  (E-H)  показывает  прототип  искусственной  лапы  геккона,  сделанной  из  углеродных  нанотрубок,  имеющих  ширину  от  50  до  500  мкм  [9].  Одной  из  главных  причин  выбора  углеродных  нанотрубок  являются  результаты  микроскопии  атомных  сил,  которые  проиллюстрировали,  что  углерод  имеет  чрезвычайно  хорошие  механические  свойства,  а  также  сильное  сцепление  на  нано  уровне  [9].

Рисунок  2.  Измерения  силы  сдвига  с  использованием  ленты  геккона  различных  размеров  [9]

На  рисунке  2  видно,  что  поверхность  без  узора  имеет  наименьшую  измеренную  поперечную  силу,  а  также  что  лапа  геккона,  площадью  0,16  см²,  имеет  силу  сдвига  в  1,9  Ньютон  [9].  Самые  слабые  показатели  имеет  лента  геккона  с  высотой  —  300  мкм,  и  шириной  —  50  мкм.  Данные  показатели  аналогичны  показателям  неструктурированной  ленты  геккона.  Лучшие  показатели  были  выявлены  у  ленты  геккона  высотой  —  200  мкм,  и  шириной  —  50  мкм.  Таким  образом,  согласно  исследованиям,  структурированная  лента  геккона  с  такими  параметрами  имеет  в  пять  раз  лучшие  результаты,  чем  настоящая  лапа  геккона.

Еще  одним  преимуществом  использования  синтетической  ленты  геккона  является  свойство  самоочищения,  что  также  характерно  для  обычной  лапы  геккона.  Этот  материал  самоочищаться  за  счет  незначительных  колебаний  [9].  Другой  способ  очистки  синтетической  ленты  геккона  назван  в  честь  эффекта  лотоса.  Суть  очистки  заключается  в  том,  что  гидрофобный  материал  не  впитывает  влагу,  так  что  капли  воды,  попадая  на  поверхность  материала,  собирают  частицы  пыли  и  смывают  их  [9].

Рисунок  3.  Иллюстрация  поведения  капли  на  коже  геккона  [9]

Также  синтетическая  лента  геккона  имеет  преимущество  перед  вязкоупругими  лентами,  которые  показаны  на  рисунке  4.  Преимущество  заключается  в  том,  что  напряжение  сдвига  не  зависит  от  времени  и  имеет  постоянное  значение.  Тем  не  менее,  вязкоупругие  ленты  имеют  лучший  фактор  напряжение  сдвига  в  начале,  который  затем  экспоненциально  убывают  вместе  с  увеличением  времени  [9].

Рисунок  4.  Сравнение  эластичной  ленты  и  Синтетической  гекко  ленты  [9]

Длительные  исследования  показали,  что  углеродные  нанотрубки  показывают  более  выдающиеся  результаты,  по  сравнению  с  материалами  других  типов.  Основным  преимуществом  углеродных  нанотрубок  является  то,  что  они  могут  выдерживать  более  высокие  температуры,  чем  трубки,  сделанные  из  пластика.  Это  расширяет  возможности  использования  материала  в  различных  ситуациях  [9].  Однако,  согласно  Маножу  Чаудхури,  профессору  химической  инженерии  университета  Лехай,  недостатком  прототипа  кожи  геккона  является  то,  что  на  практике  она  отличается  негибкостью.  Группа  из  университета  Акрона  и  Политехнического  института  Ренсселера  сумела  найти  оптимальное  число  трубок,  которое  устанавливает  баланс  между  слишком  большим  и  маленьким  количеством  трубок.  Результаты  их  исследования  могут  помочь  избежать  построения  слишком  жестких  и  слишком  слабых  структур,  сообщает  Chaudhury  [9].  Результаты  исследования  также  расширяют  масштабы  сферы  применения  данной  технологии.

Способность  материала  Гекскин  крепится  к  вертикальным  и  гладким  поверхностям  делает  его  полезным  атрибутом  в  разных  сферах  повседневной  жизни.  Полезные  свойства,  такие  как  многократное  использование,  прочность,  высокая  адаптивность  и  легкость  в  использовании,  позитивно  повлияют  на  внедрение  Гекскин  в  такие  сферы  жизни  как  наука,  медицина,  быт  и  т.  д.  Несмотря  на  то,  что  материал  Гекскин  находится  на  стадии  изучения  и  не  используется  повсеместно,  инновации  связанные  с  использованием  материала  дают  возможность  облегчить  и  улучшить  качество  жизни.

Для  того  чтобы  продемонстрировать  как  Гекскин  может  быть  использован  в  повседневной  жизни,  ученые  из  Массачусетского  Университета,  во  главе  Альфреда  Кросби,  провели  эксперимент,  который  подразумевает  подвешивание  42-х  дюймового,  18-ти  килограммового  телевизора  к  стене  с  помощью  Гекскин.  Результаты  эксперимента  показали  поразительные  способности  материала  выдерживать  тяжелые  предметы.  Более  того,  предмет  был  легко  отделен  от  поверхности  и  не  оставил  следов  [8].

Аэронавтика  и  космонавтика  —  сферы,  где  лента  Гекскин  имело  бы  широкое  применение  [2].  Путем  использования  ленты  на  подошве  и  других  частях  космического  скафандра,  космонавты  способны  ходить  по  твердой  поверхности  в  космическом  пространстве,  что  в  свою  очередь  позволит  исключить  сложную  систему  жгутов  и  трубок.  Например,  космический  скафандр  российского  производства  Орлан-М,  ориентированный  на  выходы  в  открытый  космос,  имеет  массу  112  килограмм,  которые  включают  аппарат  обеспечения  жизнедеятельности  длительностью  до  7  часов  [3].  Таким  образом,  при  исключении  тяжелых  частей  скафандра,  таких  как  система  жгутов,  появляется  возможность  для  облегчения  костюма  в  целом  и  увеличением  пространства  для  дополнительных  установок.  Вышеуказанные  изменения  способны  улучшить  мобильность  и  подвижность  скафандра  и  плодотворно  повлиять  на  изучение  космического  пространства  в  целом.

Вышеупомянутые  примеры  использование  материала  Гекскин  показывают  ширину  его  применения.  При  дальнейшем  исследовании,  Гекскин,  путем  модификации  ныне  существующих  технологий,  способен  сыграть  значимую  роль  в  таких  сферах  как  медицина,  пожарная  безопасность,  спорт  и  военное  дело.

Список  литературы:

1.Америкен  Сайентист.  Как  прикрепляются  пальцы  Геккона  (ящерицы),  2006  г.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  www.americanscientist.org  (дата  обращения  15.12.2012).

2.Гекко  Лента.  Стэндфордский  Университет.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.stanford.edu/group/mota/education/Physics%2087N%20Final%20Projects/Group%20Gamma/gecko.htm  (дата  обращения  15.12.2012). 

3.Орлан-МК.  RuSpace,  2009  г.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://suzymchale.com/ruspace/orlanmk.html  (дата  обращения  15.12.2012).

4.Отем  К.,  Лианг  И.,  Хслех  Т.,  Зещ  В.,  Чан  П.В.,  Кенни  Т.В.,  Феаринг  Р.,  и  Фулл  Р.Д.  Сила  липучести  одного  ножного  волоска  Геккона  (ящерицы).  2000  г.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  www.nature.com  (дата  обращения  15.12.2012).

5.Престон  К.  Выравнивание  Карбоновх  Нанотрубок-Полимерных  Материалов,  Системы  и  Методы.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  www.uakron.edu/research   (дата  обращения  18.11.2012).

6.Сото  Д.,  Хилл  Д.,  Парнесс  А.,  Эспарза  Н.,  Куткоски  М.  и  Кенни  Т.,  2010.  Эффект  формы  фибр  на  свойства  липучести.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  www.apl.aip.org  (дата  обращения  15.12.2012).

7.Фростбургский  Государственный  Университет.  Что  такое  силы  Ван-дер-Ваальса?  1999  г.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  www.Antoine.frostburg.edu  (дата  обращения  15.12.2012).

8.Ceurstemont  S.  Gecko-like  tape  holds  up  42-inch  TV.  2012  г.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.newscientist.com/blogs/nstv/2012/02/gecko-like-tape-holds-up-42-inch-tv.html  (дата  обращения  15.12.2012).

9.Sethi  S.;  Ge  L.;  Ci  L.;  Ajayan  P.M.;  Dhinojwala,  A.  Nano  Lett.  —  2008,  —  №  8,  —  P.  822—855.