Физики предложили новую теорию, описывающую перемещения геккона по потолку
 Схематическое изображение тонкой пленки на поверхности с микроскопическими выступами и углублениями. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Когда тонкая пленка приближается на расстояние нескольких нанометров к поверхности, «включается» сила Ван-дер-Ваальса, которая притягивает ее к этой поверхности. Пользуясь этим взаимодействием, гекконы, обладающие миллионами крошечных волосков на лапках, передвигаются по гладким вертикальным стенам и потолкам.
Теория, объясняющая, как именно гекконы и всевозможные тонкие пленки удерживаются на гладких поверхностях, существует уже несколько десятилетий. Более поздние работы распространили объяснение и на поверхности с микронными и нанометровыми выступами и углублениями. Также исследователи уже успели изучить процесс отделения пленок от поверхностей с выступами и углублениями.
Но до сих пор все разработанные теории были основаны на рассмотрении только одного, фиксированного значения для сил Ван-дер-Ваальса. В своей последней работе группа ученых из Linköping University (Швеция) показали, что колебания этой силы на наноуровне (имеющие термическую природу) могут привести к важным отличиям реального процесса отрыва пленки от предсказанного предыдущими теориями. Исследователи проанализировали тонкую пленку, прикрепленную к поверхности с периодическими выступами посредством флуктуирующей Ван-дер-Ваальсовой силы. Выяснилось, что присутствие тепловых флуктуаций значительно усложняет адгезию.
В рамках своей работы исследователи рассматривали целый диапазон пленок с различной гибкостью, но основное внимание было уделено промежуточному значению, соответствующему гибкости волосков лапы геккона. Такой волосок будет контактировать с поверхностью только в местах выступов (притяжение Ван-дер-Ваальса имеет крайне малую дальность, соответственно, оказывает влияние на систему только в этих точках). При анализе процесса отделения волоска от поверхности, исследователи обнаружили, что колебания силы Ван-дер-Ваальса в точках контакта играют критическую роль. Они могут привести даже к отсоединению волоска (по сути, увеличивая эффективность действия силы, отрывающей волосок). Таким образом, малое ослабление притяжение в одном месте может привести к индуцированному флуктуациями отсоединению всего волоска. Теоретически, если процесс повторится для всех волосков, геккон может полностью оторваться от поверхности.
Как отмечают сами ученые, связь между наномасштабными тепловыми флуктуациями и процессом отрыва рассматривается впервые. Конечно, она не отвергает предыдущие модели, а лишь добавляет новый эффект, который проявляется в макромасштабе, несмотря на свою «наноразмерную» природу. При этом модель хорошо объясняет, почему эксперименты по отрыву одинаковых пленок от одинаковых поверхностей могут давать разные результаты (предыдущие модели не могли объяснить этого явления).
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review E. В перспективе модель, предложенная командой, может привести к разработке новых лабораторных процессов отделения тонких пленок от поверхностей. Такие методики часто применяются, к примеру, для получения и последующей очистки атомарно тонких листов графена. Если при отслаивании графена сила отрыва слишком велика, листы могут повреждаться. А новая модель показывает, что для отслаивания вполне достаточно меньшей силы.
Также по теме:
- Плазмонные материалы могут использоваться для искусственной эмуляции цепких лап геккона
- Двумерные материалы повышают точность спектроскопии комбинационного рассеяния
- Исследователи из Сингапура создали первый наноразмерный тепловой двигатель
- Исследователи облегчили перенос двумерных структур
- Ученые нашли способ открыть запрещенную зону в фосфорене
Источники: