Bạn có thể học được gì từ con tắc kè

Bạn có thể học được gì từ con tắc kè

Alexander Leontyev,
Ứng viên khoa học hóa học
"Khoa học và Đời sống" №3, 2012

Thiên nhiên chăm sóc mọi thứ để mọi nơi
bạn tìm thấy điều cần học.
Leonardo da Vinci

Mọi người có xu hướng bắt chước tự nhiên và học hỏi từ nó. Có rất nhiều ví dụ từ các thời đại khác nhau – từ cánh sáp của Icarus, áo giáp vảy của quân đoàn La Mã hoặc máy bay của Leonardo da Vinci để đóng cửa velcro hiện đại hoạt động theo nguyên tắc gắn gai, cho phép bạn nhanh chóng vặn chặt áo khoác hoặc huấn luyện viên.

Thậm chí còn có cả một phần của khoa học – sinh học (từ tiếng Hy Lạp. biosý nghĩa của cuộc sống, và mimesis – bắt chước, bắt chước). Biomimetics là tham gia vào việc tạo ra các vật liệu, công nghệ, quy trình và thiết bị, được dựa trên ý tưởng vay mượn từ thiên nhiên.

Trong hơn 100 năm, các nhà khoa học đã cố gắng hiểu cơ chế bám dính, và theo cách khoa học – độ bám dính (từ lat. adhaesio – độ bám dính), một triệu nhung mao nằm trên chân của tắc kè, đến bất kỳ bề mặt nào dọc theo đó những con thằn lằn này di chuyển. Trước đây người ta tin rằng họ đang nắm giữ các lực mao dẫn và các lực phát sinh từ sự phân cực của bề mặt và các sợi từ ma sát.Và chỉ vào đầu thế kỷ 21 đã làm bằng chứng thực nghiệm đầu tiên xuất hiện rằng con tắc kè giữ vững lực van der Waals ngay cả trên một cửa sổ trơn tru và trơn trượt. Các lông không được làm ẩm bằng nước chút nào, nhưng chúng cũng có hiệu quả như nhau đối với các bề mặt không ướt và ẩm ướt. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng nó không phải là tính chất hóa học của bề mặt quan trọng, nhưng chỉ có hình dạng và kích thước của nhung mao tiếp xúc với bề mặt. Dựa trên kiến ​​thức này, họ đã có thể tái tạo "hiệu ứng tắc kè" bằng vật liệu tổng hợp.

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano trong những thập kỷ gần đây đã dẫn đến thực tế là các chất sinh học tham gia vào việc tạo ra các vật liệu độc đáo. Nhờ khả năng mới của kính hiển vi điện tử và tiến bộ trong sản xuất và sản xuất cấu trúc nano, các nhà khoa học cuối cùng cũng có cơ hội tái tạo cấu trúc và do đó tính chất của một số vật liệu tự nhiên có đặc điểm hữu ích và thường là duy nhất.

Lịch sử của "gekko-scotch" – từ một mảnh băng dính được tạo ra trong phòng thí nghiệm đến một băng keo hoàn chỉnh với các đặc tính kết dính tuyệt vời – là một trong nhiều ví dụ thành công về phương pháp tiếp cận sinh học trong khoa học vật liệu.

Người tạo ra giải thưởng "gecko-scotch" của giải Nobel vật lý năm 2010, Andrei Geim được biết đến như là người khám phá ra graphene và là người đã tạo ra những con ếch sống bay lên ("bay lượn" trong không trung) trong từ trường. Vào năm 2003, Game đã phát minh ra một băng keo dính không dính để tái tạo bề mặt bàn chân của một con tắc kè ở mức độ vi mô.

Phần chân của con tắc kè hoàn toàn được bao phủ bởi những con vật phản diện tốt nhất; bên phải – cùng một chân tăng 30 lần: 1 mm2 các khu vực của nó bao phủ hơn 5.000 lông nhung mỏng hơn mười lần so với tóc người. Ảnh từ geckolab.lclark.edu và Thư viện ảnh Andrew Syred / Science

Và câu chuyện này bắt đầu ba năm trước đó, khi một nhóm các nhà nghiên cứu người Mỹ tiết lộ bí mật của những con thằn lằn nhiệt đới này. Hóa ra là khả năng của tắc kè (ngoại trừ một số phân loài) dễ dàng trèo lên các bề mặt thẳng đứng trơn tru và không rơi từ trên trần được kết hợp với cấu trúc lòng bàn chân, hoàn toàn được phủ một mái tóc nhỏ dày 1/10, lông nhung. Do sự tương tác của van der Waals, lực bám dính lên bề mặt của mỗi nhung này là khoảng 10-7 N. Nhưng, vì mỗi milimét vuông bề mặt của chân bao gồm hơn năm nghìn sợi lông như vậy, tổng lực bám dính là 10 N / cm trong điều kiện thí nghiệm.2 – Đây là khoảng 1 kg tải.Về mặt lý thuyết, bằng cách sử dụng tất cả các villi của họ, 50 gram geckos có thể chứa hai người lớn trên một bức tường tuyệt.

Jan van der Waals (1837-1923) là một nhà vật lí người Hà Lan. Sinh ra trong một gia đình thợ mộc, ông làm việc như một giáo viên. Năm 1869, ông đã khám phá ra – ông mô tả cách thức các phân tử của một chất tương tác với nhau. Sau đó, các nhà khoa học bắt đầu gọi các lực lượng vật lý được phát hiện bởi anh ta, phát sinh từ sự tương tác của các phân tử, lực van der Waals. Nhà vật lý nghiên cứu hành vi của các phân tử trong các chất khí, chất rắn và chất lỏng, đã tạo ra một số khám phá quan trọng trong lĩnh vực vật lý phân tử lý thuyết. Năm 1877, Van der Waals được mời vào vị trí giáo sư tại Đại học Amsterdam, và năm 1910 ông được trao giải Nobel Vật lý.

Polymer villi "gecko-scotch"; bên phải – cùng một villi tiếp xúc với bề mặt. Ảnh thu được bằng kính hiển vi điện tử (Vật liệu thiên nhiên 2, 461-463, 2003)

Để tái tạo bề mặt nhô lên của đôi chân của tắc kè, Andre Geim và các cộng sự đã sử dụng phương pháp in litô tia điện tử, tạo ra một màng polymer polyimide có cùng cấu trúc vi mô. Theo số liệu thu được, để xé mẫu phim 1 × 1 cm từ thủy tinh mịn,một nỗ lực khoảng 3 N là cần thiết.Và mặc dù đây là ba lần ít hơn lực bám dính được phát triển bởi chân của tắc kè, chỉ có 200 cm2 như một "gecko-scotch" (một nửa kích thước của một sổ ghi chép học) sẽ là đủ để giữ cho một trọng lượng người lớn xuống. Tuy nhiên, một băng dính "dính" có thể được sử dụng một số lần giới hạn, vì các sợi polyme vi mô bị phá hủy trong quá trình bám dính.

Cấu trúc vi mô của vật liệu không bị mờ Gecko Nanoplastdựa trên "hiệu ứng tắc kè". Bức ảnh được chụp bằng kính hiển vi điện tử. Băng Gecko®, Gottlieb Binder GmbH & Co.KG. Ảnh từ www.materialica.de

Trong tương lai, Game và nhân viên của anh ta không tham gia vào việc tìm kiếm các vật liệu kết dính mới dựa trên "hiệu ứng tắc kè". Trong khi đó, các nhóm nghiên cứu khác ở các nơi khác nhau trên thế giới trong một thời gian khá ngắn đã phát minh ra phiên bản “gecko-scotch” của riêng họ. Thành công nhất là, có lẽ, một bộ phim silicone Gecko Nanoplast. Có mật độ vi mô là 29.000 miếng / cm2như một "gecko-scotch" cung cấp đáng tin cậy lặp đi lặp lại "khô" bám dính cho cả hai bề mặt nhẵn và thô. Đặc tính bám dính nổi bật của nó được thể hiện trong hình dưới đây.Bộ phim này được phát triển ở Đức bởi nhóm giáo sư S. Gorb từ Viện động vật học tại trường đại học. H. Albrecht (Kiel) hợp tác với công ty Chất kết dính Gottlieb. Vào mùa xuân năm 2011 Gecko Nanoplast trong hạng mục "sản phẩm mới" giành huy chương vàng của cuộc thi quốc tế có uy tín về kiểu dáng công nghiệp.

Phim không có màng Gecko Nanoplast kích thước 20 × 20 cm có thể giữ trọng lượng của người lớn. Ảnh của Claudia Eulitz từ www.uni-kiel.de

Khả năng tuyệt vời của tắc kè đã phục vụ như một nguồn cảm hứng không chỉ cho các nhà phát triển vật liệu mới, mà còn cho các chuyên gia trong lĩnh vực robot. Với sự ra đời của "gecko-scotch" trước mặt họ, cơ hội mới mở ra trong việc tạo ra các robot leo núi bằng cách sử dụng cùng một nguyên tắc để leo trên các bức tường dốc như đối tác của họ trong động vật hoang dã. Ví dụ, các nhà khoa học thuộc Khu bảo tồn trường hợp phương Tây tại Hoa Kỳ, tạo ra robot của riêng họ, được sử dụng Gecko Nanoplast S. Gorba. Robot "Miniver", được thiết kế tại Khu bảo tồn Trường hợp Đại học Phương Tây ở Hoa Kỳ. Hình ảnh từ các trang web biorobots.case.eduVà các đồng nghiệp của họ tại Đại học Stanford đã phát minh ra phiên bản của riêng họ về chất kết dính "gecko-film". Để làm điều này, bằng cách sử dụng công nghệ nano, họ đã chế tạo khuôn mẫu đặc biệt để đúc, bắt chước microvilli trên chân của một con tắc kè.Hơn nữa, các ma trận này được xử lý bằng cao su silicon, và kết quả là một màng dính với "hiệu ứng tắc kè".

Cấu trúc vi mô của sợi gecko-scotch, được phát triển tại Đại học Stanford. Bức ảnh được chụp bằng kính hiển vi điện tử. Ảnh từ bdml.stanford.edu

Đối với những đặc thù của chân và chân của những con vật gecko, xem Khoa học và Đời sống, số 11, 2007.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: