Ящерице позволяют удержаться на потолке силы Baн дер Ваальса
Исследователей давно интересовало, как геккон — довольно крупная тропическая ящерица — ухитряется свободно бегать по древесным стволам, стенам и даже потолкам, не падая. Одно время полагали, что весь секрет в уникальных присосках, которыми снабжены лапы геккона. Потом искали следы клея, которым якобы смазаны лапы ящерицы. Ну, а теперь американские ученые, кажется, додумались: «Геккон при движении использует законы субатомной физики!»
К такому выводу пришла «Команда гекко» — так называет себя группа ученых, которую возглавляют физиолог Келлар Отан из колледжа Льюиса и Кларка в Портленде, штат Орегон, и бионик Роберт Фул из Калифорнийского университета в Беркли.
Взбегая вверх по вертикали, ящерица ставит ноги так, что одна прилипшая к поверхности лапа выдерживает вес всего тела. Однако при этом не заметно, чтобы геккон прилагал какие-то усилия, чтобы оторвать «приклеенную» ногу, когда собирается сделать следующий шаг. В чем тут хитрость?
Чтобы понять это, исследователи внимательно осмотрели лапы геккона под микроскопом. При этом выяснилось, что подушечки лап снизу прикрыты листочками ткани, расположенными, подобно страницам в книге с мягким переплетом.
Поставьте такую книгу «на попа» вверх корешком и слегка прижмите. Страницы в нижней части изогнутся, разойдутся словно веник.
Сходство с веником еще больше усиливается, когда при большем увеличении становится видно, что каждый листок покрыт сотнями тысяч тонких волосков-отростков, называемых щетинками. Счет им на одной только лапке идет на миллионы. И, наконец, щетинки, в свою очередь, делятся на сотни лопатообразных кончиков, каждый из которых имеет всего 200 нанометров в диаметре (меньше, чем бактерия).
Когда исследователи, имитируя движение лапы геккона сначала прижимали щетинку к сенсору измерительного прибора, а затем отрывали, то обнаружили, что она способна сопротивляться их усилиям с силой, достаточной, чтобы выдержать вес муравья. Однако ни особого разрежения, свойственного вакуумным присоскам, ни тем более клея на щетинках обнаружить не удалось. Как оказалось, здесь работают силы Ван дер Ваальса, названные так по имени открывшего их в конце XIX века голландского физика. Или, говоря иначе, силы межмолекулярного взаимодействия.
Суть вот в чем. Каждая молекула, как известно, состоит из атомов. А те, в свою очередь, — из положительно заряженных ядер, окруженных облаком отрицательно заряженных электронов. Поскольку облака соседних атомов обладают зарядами одного знака — отрицательными, — они взаимно отталкиваются. Но разлететься атомам из одной молекулы не дают так называемые силы дисперсного притяжения, образуемые положительно заряженными ядрами.
Вот этими-то силами на субатомном уровне и ухитряется манипулировать геккон. Когда он опускает лапу на поверхность, лопаточки на конце щетинок столь плотно прилегают к ней, что вступают в действие силы Ван дер Ваальса, действующие между молекулами щетинок лапы и молекулами подстилающей поверхности.
Лапа как бы прилипает к древесному стволу или к потолку.
Однако стоит геккону чуть потянуть ее, готовясь сделать следующий шаг, как силы дисперсного притяжения перестают работать, вступают в действие силы электронного отталкивания, и лапа без труда отделяется от поверхности.
Вот, оказывается, до каких тонкостей доходит порой природа, конструируя то или иное приспособление. Теперь ее патентами пытаются воспользоваться бионики. Во-первых, они хотели бы усовершенствовать обычную липкую ленту-скотч. Ныне она, как известно, для повторного применения не пригодна — клеевое соединение разрушается. А вот ленту с искусственными щетинками можно будет использовать многократно. Причем она будет работать даже в космосе, где обычный скотч при абсолютном нуле теряет клеящие свойства. Так что космонавты смогут применять эту ленту для крепления оборудования с наружной стороны станции.
Кроме того, если снабдить волосками-щетинками «лапы» робота, есть надежда, что и он будет способен лазать по стенам. Наконец, «гекко-перчатки» и спецобувь со щетинками, наверное, с удовольствием примут на вооружение скалолазы, монтажники-верхолазы, пожарные… Ведь тогда намного упростится техника восхождения по отвесным скалам и стенам небоскребов.
Первые приспособления подобного типа уже проходят испытания. Так, немецкий изобретатель Геральд Винклер создал аппарат «Геккомат», который дает возможность человеку «разгуливать» по стенам небоскребов, скалам и прочим неприступным объектам.
Новое изобретение опробовал испытатель телепрограммы «Завтрашний мир», которую готовит научный отдел Би-би-си. Испытатель смог пройти 20 метров по вертикальной стеклянной стене и признал, что система работает вполне удовлетворительно. Но не более того… Дело в том, что изобретатель так и не смог воспользоваться силами Ван дер Ваальса и ограничился банальными присосками. Кроме того, «Геккомат» получился тяжелый: все оборудование весит около 30 кг. Присоски на лапах настоящего геккона весят куда меньше.
Олег СЛАВИН
