Имитация клейкой поверхности лапы геккона с использованием нанотрубок

 


Гонка в создании наилучшей «стопы ящерицы-геккона» с использованием сухих липучих материалов привела к появлению нового конкурента с особо прочным и практичным материалом.

Ученые уже давно были заинтересованы в возможности ящериц-гекконов бегать по стенам и «прилипать» «пальцами ног» к потолку. Эти изящные создания обязаны этими удивительными свойствами микроскопическим эластичным волоскам на пальцах ног, которые благодаря действию атомарных сил притяжения могут приставать к поверхностям и удерживать при этом удивительно большие веса. Несколько исследовательских групп вовлечены в эксперименты по моделированию подобных волосков из полимеров или углеродных нанотрубок с целью воссоздать силовую динамику.

В статье, опубликованной в журнале Science (Liangti Qu, Liming Dai, Morley Stone, Zhenhai Xia, Zhong Lin Wang «Carbon Nanotube Arrays with Strong Shear Binding-On and Easy Normal Lifting-Off», Science 10 October 2008: Vol. 322. №. 5899, pp. 238 – 242) исследователи из Университета Дейтона (University of Dayton), Технологического Института Джорджии (Georgia Institute of Technology), Исследовательской Лаборатории ВВС США (Air Force Research Laboratory) и Университета Эйкрона (University of Akron) описали улучшенный материал, созданный на основе углеродных нанотрубок. Новый материал впервые способен создавать адгезийные силы различной направленности. При захватывающей возможности, практически в три раза превосходящей прежний рекорд, и в 10 раз более высокой, чем у реального геккона при измерении сопротивления на сдвиг, новая матрица углеродных нанотрубок может способствовать созданию искусственной лапы геккона с возможностью плотного захвата вертикальных поверхностей и снятия такого захвата при желании.

Сопротивление силам сдвига удерживает клейкий материал из нанотрубок очень прочно на вертикальной поверхности, от которой он тем не менее достаточно просто может быть отсоединен движением в направлении, перпендикулярном поверхности. Такая разница в адгезии, зависящая от направления, является уникальной, получена впервые и делает материал полезным при использовании в качестве переходного клеящего вещества.

Ключевым в новом материале является использование рационально расположенных многостенных углеродных нанотрубок, которые формируют структуры с загнутыми и запутанными концами. Эти концы волокон, которые напоминают спагетти или переплетения виноградных лоз, моделируют иерархическую структуру реальных лап геккона, которые включают в себя ветвящиеся волоски разного диаметра. При прижатии к вертикальной поверхности запутанные участки нанотрубоквыравниваются в контакте с поверхностью. Это существенно увеличивает площадь контакта между нанотрубками и поверхностью и, соответственно, увеличивает силы Ван дер Ваальса, работающие на атомарном уровне. При поднятии с поверхности в направлении, параллельном основной массе нанотрубок, только концы остаются на поверхности, и удерживающие силы резко уменьшаются.

Площадь контакта имеет огромное значение. При плотном контакте нанотрубок ван дер ваальсовы силы действуют вдоль всего тела нанотрубки, но при точечном контакте эти силы действуют только на кончики волокон. Такая конфигурация позволяет хорошо моделировать действия геккона в природе.

В тестах на большом количестве видов поверхностей, включая стекло, листы полимеров, тефлон, грубую наждачную бумагу, исследователи измеряли силы адгезии и получили величины до 100 ньютонов на квадратный сантиметр в направлении сдвига – практически те же значения, что и у живых гекконов. Сопротивление сдвигу возрастало с увеличением длины нанотрубок, в то время как сопротивление нормально приложенной силе не зависело от этого.

Помимо возможности перемещения по стенам, материал может иметь множество технологических применений, включая соединение электронных приборов и замену традиционных клейких материалов в сухих условиях космической невесомости. В космосе- вакуум, и традиционные клеи и восоко адгезивные материалы попросту высыхают. В то же время сухие клеящие структуры на основе нанотрубок не будут иметь никаких проблем даже при длительной эксплуатации в условиях космического пространства.

В описанном эксперименте структуры нанотрубок выращивали методом химического испарения на кремниевые подложки при низком давлении среды. В продолжении пиролитического роста вертикально ориентированных многостенных нанотрубок начальные сегменты наращивались в случайных направлениях, формируя верхний слой свернутых кольцами и переплетенных нанотрубок. Этот слой увеличивал площадь зоны нанотрубок, готовых к контакту с поверхностью.

Исследования финансировались Национальным Научным Фондом США и Исследовательской Лабораторией ВВС США.


Источник: NanoNewsNet