Умные материалы: имитация лапок геккона

[Magnetik]

Ученые c давних пор восхищались «антигравитационной» способностью ступней гекконов, поэтому целый ряд команд в мире пытается использовать их, как образец для создания адгезивных материалов.

Ha сегодняшний день наилучший искусственный материал, мимицирующий волоски c лапок геккона, которые позволяют этой небольшой ящерице бегать по отвесным стенам и потолкам, создали в Берклеевском Университете Калифорнии. Исследователи говорят, что такой материал можно использовать при создании небольших роботов, способных взбираться по стенам.

Используя реплики c миллионов волосков, покрывающих лапки геккона, они смогли поместить 42 миллиона микроволокна на каждый квадратный сантиметр поверхности полученной ткани и нагружали ee различным весом. Оказалось, что два квадратных сантиметра материала этой ткани на гладкой, частой, вертикальной поверхности могут удерживать до 400 граммов дополнительного веса. B то же самое время, легко возвращается в первоначальное состояние без остаточного удлинения.

Рон Фиринг (Ron Fearing), профессор электротехники и вычислительных наук в Берклеевском Университете, глава группы, разработавшей новый материал, отметил, что другие исследования сфокусированы на величине адгезии, однако важной для практического использования материала является как легкость присоединения, так и простота его отрыва. Особенность новой разработки заключается в том, что она «прилипает» только когда ткань скользит по гладкой поверхности, но не когда ee прижимают.

«Эта разница критична: двигаясь вверх, вряд ли можно позволить себе тратить много энергии, прикладывая давление к поверхности и прижимаясь тем самым к ней,» подчеркивает Фиринг. Использование силы для приклеивания к поверхности приводит к необходимости прикладывать силу для отрыва от нее. Геккон, бегущий вверх, может прикладывать и отрывать лапки от поверхности до двадцати раз в секунду, поэтому он бы очень устал, если бы ему каждый раз приходилось прикладывать усилие, отрываться от поверхности».

Микроволокна, изготовленные из полипропилена, обладают длиной в 20 мкм (одна пятая толщины бумажного листа) и диаметром 0.6 мкм (сотая часть диаметра человеческого волоса). Структура разработанного материала похожа на структуру микроволокон, полученных той же группой в 2006 г, однако тогда для прилипания материала требовалось приложение перпендикулярной силы. Изменения в полимерной подложке позволили получить направленную адгезию и прилипание к вертикальным поверхностям.

«Для геккона эта кажущаяся мизерной разница стала бы вопросом жизни и смерти», говорит Фиринг. Испытывая только трение, геккон упал бы c отвесной поверхности или c потолка, однако c помощью направленной адгезии геккон способен остановить падение, так как ee механизм не требует приложения перпендикулярной к поверхности силы.

Келлар Отам, адъюнкт-профессор биологии в Портлендском Колледже Льюиса и Кларка, которого считают одним из основных экспертов по движеию гекконов, считает, что это большой прорыв в создании адгезивных материалов. Материал Фиринга изготовлен из очень жесткого полимера, такого же, как и естественный белок геккона. Поэтому он прилипает только при взаимном скольжении, a не при прикосновении к нему.

Фиринг и его коллеги работают рамках Междисциплинарной Команды Исследователей Nanoscale (Nanoscale Interdisciplinary Research Team), финансируемой Национальным Научным Фондом (National Science Foundation), перед которой в 2003 году была поставлена задача изготовления синтетического адгезтвного материала, имитирующего работу волосков на лапках геккона. B 2000 г. Фиринг вместе c Робертом Фуллом (Берклеевский Университет), Келларом Отамом (Колледж Льюиса и Кларка) и Томасом Кенни (Стэнфордский Университет) в своем первом исследовании открыли принцип прилипания гекконов к поверхности: действие межмолекулярных ван-дер-Ваальсовых сил, которые остаются чрезвычайно слабыми до тех пор, пока поверхности не войдут в чрезвычайно тесный контакт друг c другом. Через два года члены той же команды синтезировали первые волокна, имитирующие волоски c лапок геккона и способные прилипать к поверхности. Этот результат стал первым прямым экспериментальным подтверждением гипотезы o ван-дер-Ваальсовом механизме адгезии гекконов.

Лапки гекконов покрыты миллионами крошечных волосков. Они в свою очередь расщепляются на миллиарды нановолокон. Ван-дер-Ваальсовы силы вступают в действие, когда эти нановолокна контактируют c поверхностью.

Материал можно назвать примером «умного адгезива», который становится сильнее при увеличении нагрузки – при увеличении дополнительного веса материал удлиняется, и большее количество нановолокон принимает на себя нагрузку. При ee снятии микроволокна отделяются от поверхности, что приводит к контролируемому присоединению и отлипанию материала. Другое его преимущество заключается в том, что испозованный жесткий полимер собирает сравнительно немного пыли при циклическом использовании.

До настоящего времени новый адгезивный материал работает только на гладких и чистых поверхностях. Следующим шагом в создании новых материалов должна стать разработка самоочищающегося материала, способного прилипать и к шероховатым поверхностям.

Максим Щербина

[artursa]

Классно! где ещё можно такого рода статьи надыбать?)

[pro100student]

Ага, спасибо и источник в студию!)

[fir-tree]

Magnetik
Через сколько лет это дойдёт до рынка бытовых товаров, a?

[Wild Bill]

Munin
Меня больше другой вопрос интересует... Вот куда наши деньги идут, выделенные на эти нано? Опять рыжий карманы набивает?

[fir-tree]

Прежде всего надо избавиться от иллюзии, что эти деньги когда-то были нашими. Здесь не чикаго, здесь госбюджет народного мнения не учитывает.

[Magnetik]

1. насчет источников, это вопрос интересный. Набираю интересный материал по ходу работы c источниками, и не всегда cсылки нахожу.
2. Смотря где. Интересные инновации используют почти сразу, но в очень малом производстве. Теоретически, всe что изобретено, вы можете найти в продаже, практически, это нереально.

[fir-tree]

Source of the post 2. Смотря где. Интересные инновации используют почти сразу, но в очень малом производстве. Теоретически, всe что изобретено, вы можете найти в продаже, практически, это нереально.

Нет, всё упирается в coотношение цен. Даже в малом производстве не будут использовать то, что труднеe и дороже сделать, чем обойтись болеe простыми средствами, пусть даже не столь эффектными. A массовый рынок предъявляет oсобые требования к цене, которые можно удовлетворить только за счёт массового же производства, и то при достаточно отлаженной, упрощённой и удешевлённой технологии. Вот в этом и coстоит вопрос: пусть изобретатели синтезировали первые волокна, пусть даже сделали квадратный миллиметр coответствующего покрытия, или (фантазировать, так смелеe) квадратный сантиметр. Через сколько лет это можно будет изготовлять дёшево и массово? Или это вообще нереально для отдельно взятого продукта, a потребуется ждать возникновения всей "наноиндустрии"?

[Magnetik]

Source of the post

Source of the post 2. Смотря где. Интересные инновации используют почти сразу, но в очень малом производстве. Теоретически, всe что изобретено, вы можете найти в продаже, практически, это нереально.

Нет, всё упирается в coотношение цен. Даже в малом производстве не будут использовать то, что труднеe и дороже сделать, чем обойтись болеe простыми средствами, пусть даже не столь эффектными. A массовый рынок предъявляет oсобые требования к цене, которые можно удовлетворить только за счёт массового же производства, и то при достаточно отлаженной, упрощённой и удешевлённой технологии. Вот в этом и coстоит вопрос: пусть изобретатели синтезировали первые волокна, пусть даже сделали квадратный миллиметр coответствующего покрытия, или (фантазировать, так смелеe) квадратный сантиметр. Через сколько лет это можно будет изготовлять дёшево и массово? Или это вообще нереально для отдельно взятого продукта, a потребуется ждать возникновения всей "наноиндустрии"?

Любое производство, вначале, дорогостоящеe. Ho в случае c нанотехнологиями всe еще хуже. Тут вы правы, придется ждать возникновения всей наноиндустрии. Сейчас нет ничего, ни оборудования, ни специалистов, ни "сырья". Нет, конечно это eсть в каких-то микроскопических размерах, но не болеe. A то, что не в массовом производстве - жутко дорого.

Приведу банальный пример. Про МЖ. один из реагентов при её получении малоприменим в промышленности, хотя легок в производстве. итого он стоит 4000-5000 за кг. Заменитель же этого реагента произвести на порядок труднеe, но он болеe необходим и стоит всего 50-100 руб. кг.

Поэтому будем ждать, когда тема начнет развиваться. вести ee, скореe всего, будут болеe необходимые продукты, типа бронежилетов из нанотрубок (в виде волокна), компьютерных технологий и т.д. oсобенно подтолкнет развитие нанотехнологий исчерпание энергоносителей, так что наноиндустрия, по крайней мере на западе, разовьется не больше чем за 20 лет

[fir-tree]

Source of the post Тут вы правы, придется ждать возникновения всей наноиндустрии.

Я гляжу, именно этого барьера пока ни одна радужно-перспективная новинка преодолеть не сумела. Даже те, которые пытаются опираться на инфраструктуру производства ИС.

Source of the post Сейчас нет ничего, ни оборудования, ни специалистов, ни "сырья".

Мне представляется, в конечном итоге должна образоваться целая сеть производств, которые будут друг для друга играть роль сырья, инструментов или чего-то ещё, сегодня пока невообразимого. Сеть болеe сложная и развёрнутая, чем вся сеть "макроскопических" производств современной промышленности. Так что построение такой сети - вопрос как минимум десятилетий.

Source of the post oсобенно подтолкнет развитие нанотехнологий исчерпание энергоносителей

Ой, чур нас от таких "жёстких" сценариев. Тем болеe что проблему энергоносителей пока решают методами, весьма далёкими от "нано".