در بدن بسیاری از حیوانات ساختارهای نانو وجود دارد. بیوتربیولوژی، مطالعه اصطکاک، روان کنندگی و فرسایش در مورد موجودات زنده است. بررسی پدیدههای چسبندگی پای مارمولک از نمونه مثال هایی است که در حوزه بررسی این دانش قرار میگیرد. مارمولک های گکو گونههای شناخته شده در قابلیت بالا رفتن از سطوح صاف و حتی چسبیدن به سقف و راه رفتن روی آن هستند. آبک ها، ات کوچکی هستند که می توانند روی آب اسکی بروند بدون آنکه پاهای آن ها در آب فرو رود و خیس شود. عنکبوت قابلیت فوق العاده ای در چسبیدن و بالارفتن از سطوح صاف دارد. این مقاله به بررسی چسبندگی این موجودات بر اساس نیروهای واندروالس بین نانوساختار پا و سطح، پرداخته است. از ساختار مشابه بدن این موجودات در کاربردهای فناوری نانو استفاده شده است.
پاهای مارمولک ها، آب ک ها و عنکبوت ها
زمین مهد نانوفناوری است و طراح و سازنده موجودات، قدرتی بیکرانی دارد که اکنون هیچ کس نمیتواند آن را انکار کند. نانو در حیات وابسته به علم محدود بشری است که باید ابزارهایی مثل میکروسکوپ های قدرتمند الکترونی را برای دیدن این ابعاد استفاده کند، نیست و از روزی که موجودات ایجاد شدهاند، نانوساختارهاو پدیدههای نانومتری و حتی فراتر از آن بودهاند. فکر کنید که هر مارمولک، پشه، مگس، سوسک یا آب کی که میبینید بدون استفاده از روش های پرهزینه ساخت، از پاهایی برخوردارند که نانوساختارهایی دارد. شما خیلی از این موجودات را دیدهاید. اما با مطالعه این مقاله متوجه خواهید شد که از این به بعد باید با دقت بیشتری به حرکتهای این حیوانات توجه کنید.
تریبولوژی مطالعه اصطکاک، روان کنندگی و فرسایش است، زمانی که در مورد موجودات زنده مطرح میشود "بیوتریبولوژی" نامیده میشود. بررسی پدیدههای چسبندگی پای مارمولک از نمونه مثال هایی است که در حوزه بررسی این دانش قرار میگیرد. مارمولک های گکو گونههای شناخته شده ای هستند که در قابلیت بالا رفتن از سطوح صاف و حتی چسبیدن به سقف و راه رفتن روی آن می باشد. بین پای مارمولک و سطح نیروی چسبندگی بالایی وجود دارد. اما این نیرو از کجا آمده است؟ منشاء این نیروی چسبنده سوالی بوده که مدت زیادی بی پاسخ مانده است. در سال 2000 گزارشی از پاهای چسبنده مارمولک به چاپ رسید که در آن مکانیزم چسبندگی پاهای مارمولک بیان شده بود. آن ها این نیروی چسبندگی خاص را ناشی از تجمع نیروی واندروالس بین رشتههای متعدد پای گکو و مولکول های سطحی مواد جامد عنوان کردند. کشف این حقیقت نیز مرهون استفاده از میکروسکوپ های الکترونی قدرتمندی بود که میتوانست ابعاد نانومتری را به نمایش بگذارد [1].
شکل 1: پدیده مشابه در پای انواع مارمولک ها
شکل2: رمز حرکت مارمولک ها روی دیوار در پاهای آن ها است [3].
شکل3: ساختار ریز پاهای مارمولک‌ها
نیروی واندروالس یک نیروی جاذبه یا دافعه الکترومغناطیسی ضعیف است که بین مولکول های خنثای نزدیک به هم وجود دارد. با این حال ارتباط بین این نیرو در مقیاس مولکولی و چسبندگی پاهای مارمولک غیرقابل قبول به نظر میرسد [3].
بررسی انجام شده با میکروسکوپ الکترونی روی پاهای یک گکوی توکای(در آسیای جنوبی یافت میشود) نشان میدهد که نزدیک به پانصد هزار موی(ستا) برجسته روی پای مارمولک قرار دارد. هر مو حدود 100 میکرومتر (دو برابر قطر موی انسان) طول دارد و 400 تا 1000 رشته ظریف با برجستگی انتهایی(اسپاتول) روی آن است. به خاطر این ساختار سلسله مراتبی، فاصله بین مولکول های سطحی و موها خیلی نزدیکتر به هم میشود و نیروهای واندروالس عمل میکند. هر چند نیروی ایجاد شده با هر موی واحد اندک است اما تجمع نیروها از هزاران رشته مو به اندازه کافی قدرتمند میشود. محاسبات انجام شده نشان میدهد که یک پای گکوی 100 نیوتن نیروی چسبندگی ایجاد میکند. از سویی نیروی ایجاد شده تک رشته ای میتواند وزن یک مورچه را تحمل کند و با یک میلیون رشته با مساحتی کمتر از یک سکه 196 نیوتن نیروی چسبندگی ایجاد میشود. در واقع یک گکو میتواند بدنش را با یک بند انگشت هم نگه دارد. پای گکو هم خصوصیت خود تمیز شوندگی و ضد خوردگی نیز دارد و همیشه تمیز است. این به خاطر عدم تعادل نیروهای چسبندگی یک ذره آلوده از رشته موهای مجاور است [3].
ایده نوار چسب های گکو از مکانیزم استفاده شده در پای مارمولک الهام گرفته شده است تا بتواند حرکت روی سطوح صاف و سقفهای شیشهای را ممکن کند. چسب گکو خودتمیز شونده می باشد و بارها چسبیده و جدا میشود. چسب گکو فیلمی با آرایههای فشردهای از میلههای منعطف پلی ایمیدی است که با روش لیتوگرافی پرتو الکترونی و حکاکی پلاسمای اکسیژن آماده می شود. این رشتهها به اندازهای ظریف و فشرده هستند که نیروی چسبندگی گکو را به همان حد ایجاد کنند. موهای نوار چسب گکو 2000 نانومتر طول و 200 نانومتر قطر دارند و به سطحی منعطف چسبیده است. یک سانتیمتر مربع از نوار گکو حدود 100 میلیون از این رشته موها دارد و میتواند وزن یک کیلوگرم را روی صاف ترین سطوح تحمل کند. این چسب مواد شیمیایی مضر چسب های معمول را ندارد. این نوار باید از کنار کشیده شود تا جدا شود. کاربرد چنین نواری میتواند در کاربردهای رباتیک باشد. با این حال در مرحله کنونی فرایند ساخت نوار چسب گکو آنقدر طولانی و پرهزینه می باشد که فعلاً تجاری نیست. کاربردهایی که برای این چسب ها در نظر گرفته شده است،گیرهها و بخیههای جراحی، ابزارهای ایمنی برای صخره نوردی، بندهای یک طرفه نایلونی، بانداژهای سادهتر و دستکش های چسبنده برای دروازه بانها و. می باشد [6].
شکل 4: نوار چسب گکو
شکل 5: تصویر میکروسکوپ الکترونی پویشی موهای پلی ایمیدی میکرومتری شبیه به موهای پای گکو.
سوسکها و مگسها نیز نانوساختارهایی دارند که به آن ها کمک میکند تا به دیوارها و سقفها و چیزهایی که به ظاهر صافند بچسبند. در تغییر ابعاد موجود شکل این پاها تغییر میکند.
شکل6: شکل ستا و اسپاتول در سوسک، مگس، عنکبوت و گکو و تغییر آن ها
در زمان برداشتن پاهای مارمولک باید پاها را از دیوار بکند و این کار با لوله کردن ستاها به داخل انجام میشود [3].
آبک های گرایدای ات کوچکی حدود یک سانتیمتر هستند که به طور معمول روی سطح آب برکهها، یا آب های ساکن دیده میشوند. شبیه به سایر ات آن ها هم 6 پای متصل به هم دارند که از شمار زیادی ستا تشکیل شده است. آبک روی آب اسکی هم می رود و بدون آنکه پاهای آن در آب فرو برود و خیس بشود این کار را انجام میدهد. در اثر راه رفتن آبک س آب به هم نمیخورد. این مساله نیز مدت هاست که دانشمندان را به تفکر واداشته است. در گذشته دانشمندان علت این رخداد را کشش سطحی ناشی از انحنای سطوح آزاد میدانستند.
در سال 2004 این حقیقت مشخص شد که ساختار میکرو و نانومتری پاها در خواص ضد آب آن ها تاثیر بالایی دارد. ساختار پاهای آبک ها طوری است که میتوانند روی آب راه بروند. پنج علت برای رخ دادن این اتفاق وجود دارد؛ مساحت سطح، نیروهای گرانشی، نیروهای سطحی(نیروهای واندروالس) و یک سطح واکسی (آبگریز) روی پای آن ها و از همه مهم تر اینکه میکروموهای پاهای آن ها از نانوشیارهای مارپیچی تشکیل شده است. سنجش مکانیکی پاها نشان داده است که حداکثر نیروی حمایت کننده یکی از پاها 15 برابر کل وزن بدن ه است. این راهنمای خوبی برای طراحی سطوح فوق آبگریز در حرکت و وسایل آبی است [3].
تصاویری با کیفیت SEM نشان میدهد که میکروموهای سوزنی شکل پاها را پوشاندهاند. قطر موهای انسان 80 تا 100 میکرومتر است. قطر ستا در پای آبک کمتر از 3 میکرومتر است. شیارهای مارپیچ نانومتری در هر میکروستایی وجود دارند و ساختاری چند سطحی را ایجاد کردهاند. هوا بین فضای میروستاها و نانوشیارها محبوس شده تا بالشی از هوا را در سطح پاها ایجاد کند که اجازه ی تر شدن پاها را نمیدهد. بنابراین آبک میتواند با سرعت روی آب راه برود، بدون اینکه پاهاش خیس شود و این فوق آبگریزی پاها در مقیاس ماکرو (ابعاد عینی) دیده میشود [3].
شکل7: الف) آبک ایستاده روی آب؛ تصاویر SEM ، ب) میکروستاهای پا، ج) نانوشیارها، د) تصویر AFM نانوشیارهای ستا، ه) یک قطره آب روی یک پا، و) حداکثر نفوذ پاها به داخل آب
ببرسیها نشان می دهد که وقتی پاها به سطح آب میخورد میتواند تا عمق 4 میلیمتری فرو برود و حجم آب دفع شده در این حالت، 300 برابر حجم خود پا است. این دافعه ی آب از نیروی پشتیبان سطحی بالای آن نشأت می گیرد و نیروی تنهای یکی از پاها کافی است تا 15 برابر وزن آبک روی سطح آب را تحمل کند. این نیروی پشتیبان مطمئن ترین تضمین برای آن است که آبک حتی در طوفانهای شدید نیز می تواند آزادانه روی سطح آب حرکت کند بدون آنکه در آب فرو رود. این کشف میتواند در تولید مواد ضد آب پیشرفته مفید و موثر باشد [3].
قابلیت فوق العاده عنکبوت در چسبیدن و بالارفتن از سطوح صاف معلق بر اساس نیروهای واندروالس است. بعد از محاسبات آن ها دریافتند که نیرویی که پاها به عنکبوت میدهند، 170 برابر وزن بدنش است. این نیرو کمی متاثر از محیط پیرامون می باشد، به صورتی که عنکبوت میتواند از سطوح تر یا صاف هم عبور کند. بعد از مشاهده ی پاهای عنکبوت زیر میکروسکوپ SEM مشخص شد در این پاها نیز تعداد زیادی موی ستا وجود دارد، که روی آن ها یک لایه چندصد نانومتری (ستول Setule) قرار دارد. با این ستا و ستولها، عنکبوت می تواند از سطح یک جامد بالا برود و همچنین اندازه گیریهای بیشتر با AFM نشان داد که هر ستول می تواند 40 نانونیوتن ایجاد کند، این آنقدر زیاد است که بتواند یک عنکبوت ریز 15 میلی گرمی را جابجا کند. دانشمندان عقیده دارند این نیروی چسبندگی از تعامل واندروالسی بین ستول هایی که اتصال ضعیفی دارند و فاصله هر کدام از آن ها با هم حدود چندین نانومتر است. تجمع اثر تعامل های بسیار خرد، روی همه 8 پای عنکبوت میتواند به نیرویی منجر شود که در ابعاد عینی(ماکرومتری) بسیار بزرگ است[3]. این ویژگی در بدن عنکبوت و پاهای آن به پدیده ای منجر میشود که کمک می کند عنکبوت در آب خیس نشود. بر این اساس پارچه هایی ساخته شده که در آب خیس نمی شوند [4].
شکل8: نیروی چسبندگی پنهان ایجاد شده از میکروساختارها ردیف الف) تصویر SEM پاهای عنکبوت، و ب) پاهای سوسک
به جز گکو و عنکبوت چسبندگی فوق العاده در سوسک ها با سطح نیز با همان مکانیزم توجیه میشود. مشاهدات SEM نشان می دهد که سرهای تارهای شکمی پاهای سوسک به طور جمعی به هم میچسبند و خوشههایی را می سازند که این خوشهها به صورت ردیف ردیف مستقر شدهاند [3].
بیشتر حیوانات و ات با نیروی بالای چسبندگی روی پاهایشان قابلیت چسبندگی را از نیروی مویینگی آب به دست آوردهاند. با این حال گکوها، عنکبوت ها، مگس ها و برخی سوسک ها میتوانند از سطوح عمود یا سقف ها بدون نیاز به آب بالا بروند. نوار چسب های ساخته شده با ساختار مشابه پاهای این موجودات میتواند بارها و بارها بچسبد و جدا شود. لباس های فضانوردان یا چسب هایی که زیر دریا است میتواند با این مکانیزم، حرکت آن ها را در سطوح خارجی تسهیل کند. در رباتیک نیز از این نوع چسب ها می تواند برای ساخت مارمولک های مصنوعی بهره برد [3].
منابـــع و مراجــــع
1.J. m. Benyus, Innovation inspired by nature Biomimicry, J. ECOS, No 129, 2006.
2. A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291
3. L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.
4.NatureTech Technology, video, part 1&2&3.
5. H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.
6.Heinmann Chemistry, Bonding, surfaces and nanoparticles, pg173
نانو لوله های کربنی شفاف با خواص فوق العاده در صنعت الکترونیک و ساخت صفحات لمس هوشمند تلفن همراه
آب ,ها ,روی ,یک ,پاهای ,نیروی ,آن ها ,3 ,است که ,که در ,نیروی چسبندگی ,نیروی چسبندگی ایجاد ,نیوتن نیروی چسبندگی ,چسبندگی پاهای مارمولک ,اساس نیروهای واندروالس
درباره این سایت