Липкие искусственные ноги - даже под водой
Гекконы карабкаются по, казалось бы, невесомо гладким стенам, мидии прочно прилепляют свои раковины к земле в воде - и ученые с завистью смотрят на такие звериные подвиги. Сейчас исследователи пытаются не только имитировать эти навыки, но даже комбинировать их.
Хитрость в беге по стенам заключается в тесном контакте. Просто опустить лапу недостаточно. Таким образом, у гекконов, как у мастеров вертикального передвижения, совершенно особенные ноги: растопыренные веером пластинки, волосы и маленькие волоски, их чрезвычайно большая и гибкая поверхность прижимается к земле. Каждое возвышение, каждый зазор, каждый излом заполнены - это молекула к молекуле и атом к атому. С одной стороны лапка геккона, с другой стена. Идеальные условия для взаимодействия, которое ученые называют силой Ван-дер-Ваальса: электроны в молекулах и атомах синхронизируют свои движения, так что между ними и покоящимися ядрами возникает электрическое притяжение. Чрезвычайно слабый эффект в отдельных случаях, но более чем достаточный для того, чтобы целые гекконы «прилипли» над головой к потолку. Правда, без клея.
Пока все остается сухим. Потому что филигранная игра между молекулами стопы и атомами стенок спотыкается, когда вода нарушает электрические наносилы. Даже тончайшие водные пленки препятствуют прямому контакту, столь важному для эффекта Ван-дер-Ваальса - и геккон падает из-за аквапланирования. Его клейкая система не является водонепроницаемой. Недостаток, присущий многим искусственным клеям.
Но природа уже давно нашла решение для подводной связи, как знала группа ученых во главе с Филиппом Мессерсмитом из Северо-Западного университета в США. Профессор биомедицинской инженерии годами изучает продукты особенно успешных U-клеев: мидии прикрепляются к камням и корпусам кораблей с помощью специальных белков. Группа Мессерсмита использовала эту модель для синтеза очень похожего полимера, богатого аминокислотой 3,4-L-дигидроксифенилаланином (ДОФА). Приятный характер ноги геккона и бросающая вызов воде общительность мидии DOPA должны привести к преданному союзу. Быстро формируется, даже во влажном состоянии, легко снимается и после использования остается свежим, как новый, для следующего использования.
Исследователи использовали модель, чтобы проверить, действительно ли эти теоретические соображения могут быть реализованы в экспериментальной практике. С помощью электронно-лучевой литографии, которая больше используется в электронике для изготовления мельчайших компонентов, они создали структурированную кремниевую форму, которую заполнили гибким силиконом. Образовывались пленки толщиной несколько миллиметров с впадинами глубиной 600 нанометров и гребнями шириной 400 нанометров. Они покрыли эту упрощенную версию лапы геккона полимером, напоминающим панцирь, и проверили адгезионную прочность под атомно-силовым микроскопом.
Композитный материал под названием «Геккель» действительно оказался достаточно цепким. Во влажном состоянии он удерживал испытуемый наконечник микроскопа в 15 раз крепче, чем образец сравнения без полимерной оболочки. И он также был примерно в три раза более липким, когда высох. Нормированный к той же площади, он даже достиг характеристик естественных пальцев геккона. Даже после более чем тысячи циклов склеивания 85 % прочности клея сохранялось в воде и 98 % в сухом состоянии, в то время как другие клеи на основе Ван-дер-Ваальса, наоборот, разрушались уже после нескольких применений.
До сих пор Гекель продемонстрировал свои навыки только в микромасштабе. Теперь пришло время заняться производством и переработкой в более широком масштабе. Если у него будут сопоставимые свойства, то вскоре он сможет найти применение в медицинской технике - например, в качестве водостойкого клея для пластырей и повязок, которые все еще можно легко снять. А может, как покрытие для корпусов кораблей, которое можно быстро заменить в сухом доке вместе с осевшими мидиями. Хотя это, конечно, было бы неблагодарно изобретателям водостойкого клея.