Силы Ван дер Ваальса и «хитрый» геккон
В.А. ХАМИТОВ,
учитель физики, п. Октябрьский, Пермская обл.
Способность некоторых животных – мух, муравьев, гекконов – удерживаться на стенах и потолке раньше объясняли наличием на лапках животных присосок, выделением клея и т.п.
А так ли это на самом деле?
Ответ на этот вопрос решили поискать биологи из Университета г. Вюрцбурга (ФРГ) и Массачусетского университета (США).
Ученые проследили за движением пчел и муравьев по оконному стеклу. Наблюдение под микроскопом позволило установить, что на кончике каждой лапки насекомого имеется пара микроскопических коготков. Они идут в ход, когда есть хоть малейшая возможность зацепиться за неровности. Между коготками имеется подушечка – аролиум. Она используется в тех случаях, когда стенка оказывается слишком гладкой и коготки скользят.
Поверхность этой подушечки смазана клеевидным веществом, природа которого пока непонятна. Удивительно, что насекомое может регулировать его липкость. По одной из версий эта регуляция объясняется сверхслабыми токами, которые передаются по нервным окончаниям.
А вот геккон «переплюнул» и пчел, и, муравьев. Физикам пришлось изрядно поломать голову над способом его передвижения по стенам и потолку. Одно время думали, что весь секрет в уникальных присосках, которыми снабжены лапы. Потом уповали на клей, которым-де они смазаны.
Теперь американские ученые разгадали загадку геккона: при движении он использует законы молекулярной физики! К такому поразительному выводу пришла группа ученых «Гекко», которую возглавляют физиолог К.Отан из колледжа Льюиса и Кларка в г. Портленд (США) и физик Р.Фул из знаменитого Калтеха в г. Беркли (США).
Когда геккон взбегает вверх по стенке, он может удержаться даже на одной прилипшей к поверхности лапке. Однако при этом незаметно, чтобы геккон прилагал какие-то усилия, чтобы оторвать приклеившуюся ногу, когда собирается сделать следующий шаг. В чем тут причина?
Ученые внимательно изучили лапки геккона под микроскопом. Выяснилось, что присоски снизу прикрыты листочками ткани, расположенными подобно страницам в книге с мягким переплетом. Такую книгу можно поставить вертикально – странички изогнутся, но книга устоит.
При большом увеличении видно, что каждый листочек покрыт сотнями тысяч тонких волосообразных щетинок. А щетинки, в свою очередь, делятся на сотни лопатообразных кончиков, диаметр каждого из которых всего 200 нм.
Когда ученые, имитируя движение лапки геккона, сначала прижимали щетинку к сенсору измерительного прибора, а затем отрывали, обнаружилось, что щетинка способна выдержать вес муравья! Однако ни особого разрежения, свойственного вакуумным присоскам, ни следов клея на щетинках обнаружить не удалось.
Как оказалось, здесь работают силы Ван-дер-Ваальса, или, говоря иначе, силы межмолекулярного взаимодействия.
Теория сил Ван дер Ваальса очень сложна и основывается на квантовой механике. Молекулы веществ на малых расстояниях отталкиваются, а на больших притягиваются. Энергия Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения составляет 0,419–4,19 кДж/моль. Эти силы малы и часто теряются на фоне более мощных сил. Но именно этими малыми силами умеет управлять геккон.
Когда он опускает лапку на поверхность, лопаточки на концах щетинок столь плотно прилегают к ней, что в работу включаются силы Ван дер Ваальса. Лапка как бы прилипает к вертикальной стене или потолку. Но чуть геккон напряжет мышцы и потянет лапку – силы Ван дер Ваальса исчезают, и лапка легко отделяется от поверхности.
Фантазия природы неистощима, когда она конструирует тот или иной живой организм. Изучением возможностей использования ее находок на благо человечества занимается наука бионика.
На основе изобретения геккона можно сделать липкую ленту, подобную скотчу, которую можно использовать повторно и даже в условиях невесомости (обычный скотч в космосе не работает). Можно изготовить обувь, которая не скользит на льду и прочно держит человека на вертикальной стене. Она облегчила бы жизнь не только альпинистам, монтажникам-скалолазам, но и нам, обычным людям. Но чтобы воспользоваться подобной идеей, надо крепко потрудиться биологам, физикам и математикам. Даром природа секреты не отдает!
http://bio.1september.ru/view_article.php?ID=200301809
