ساختارهای نانومتری در پاهای مارمولک‌ها، آبدزدک‌ها و عنکبوت‌ها

۱-مقدمه

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 مثال‌هایی است که در حوزه بررسی این دانش قرار می‎گیرد. مارمولک‌های گکو، گونه‎های شناخته شده در قابلیت بالا رفتن از سطوح صاف و حتی چسبیدن به سقف و راه رفتن روی آن هستند. آبدزدک‌ها، حشرات کوچکی هستند که می‌توانند روی آب اسکی بروند بدون آنکه پاهای آن‌ها در آب فرو رود و خیس شود. عنکبوت قابلیت فوق‌العاده‌ای در چسبیدن و بالارفتن از سطوح صاف دارد. در 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.

۲- ساختارهای نانومتری در پاهای مارمولک

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 مثال‌هایی است که در حوزه بررسی این دانش قرار می‎گیرد. مارمولک‌های گکو گونه‎های شناخته شده‌ای هستند که در قابلیت بالا رفتن از سطوح صاف و حتی چسبیدن به سقف و راه رفتن روی آن می‌باشد. 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 ۲۰۰۰ گزارشی از پاهای چسبنده مارمولک به چاپ رسید که در آن مکانیزم چسبندگی پاهای مارمولک بیان شده بود. آن‌ها این نیروی چسبندگی خاص را ناشی از تجمع نیروی واندروالس بین رشته‎های متعدد پای گکو و مولکول‌های سطحی مواد جامد عنوان کردند. کشف این حقیقت نیز مرهون استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی قدرتمندی بود که می‎توانست ابعاد نانومتری را به نمایش بگذارد [۱].

شکل ۱- پدیده مشابه در پای انواع مارمولک‌ها

شکل ۲- رمز حرکت مارمولک‌ها روی دیوار در پاهای آن‌ها است [۳].

شکل ۳- ساختار ریز پاهای مارمولک‎ها

نیروی واندروالس یک نیروی جاذبه یا دافعه الکترومغناطیسی ضعیف است که بین مولکول‌های 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 [۳]. 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 ۱۰۰ میکرومتر (دو برابر قطر موی انسان) طول دارد و ۴۰۰ تا ۱۰۰۰ رشته ظریف با برجستگی انتهایی(اسپاتول) روی آن است. به خاطر این ساختار سلسله مراتبی، فاصله بین مولکول‌های 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 ۱۰۰ نیوتن نیروی چسبندگی ایجاد می‎کند. از سویی نیروی ایجاد شده تک رشته‌ای می‎تواند وزن یک مورچه را تحمل کند و با یک میلیون رشته با مساحتی کمتر از یک سکه ۱۹۶ 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 [۳].

ایده نوار چسب‌های 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 می‌باشد و بارها چسبیده و جدا می‎شود. چسب گکو فیلمی با آرایه‎های فشرده‎ای از میله‎های منعطف پلی‌ایمیدی است که با روش لیتوگرافی پرتو الکترونی و حکاکی پلاسمای اکسیژن آماده می‌شود. این رشته‎ها به اندازه‎ای ظریف و فشرده هستند که نیروی چسبندگی گکو را به همان حد ایجاد کنند. موهای نوار چسب گکو ۲۰۰۰ نانومتر طول و ۲۰۰ نانومتر قطر دارند و به سطحی منعطف چسبیده است. یک سانتی‌متر مربع از نوار گکو حدود ۱۰۰ میلیون از این رشته موها دارد و می‎تواند وزن یک کیلوگرم را روی صاف‌ترین سطوح تحمل کند. این چسب مواد شیمیایی مضر چسب‌های 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 می‌باشد که فعلاً تجاری نیست. کاربردهایی که برای این چسب‌ها در نظر گرفته شده است، گیره‎ها و بخیه‎های جراحی، ابزارهای ایمنی برای صخره نوردی، بندهای یک طرفه نایلونی، بانداژهای ساده‎تر و دستکش‌های چسبنده برای دروازه‌بان‎ها و... می‌باشد[۶].

شکل ۴- نوار چسب گکو

شکل ۵- تصویر میکروسکوپ الکترونی پویشی موهای پلی‌ایمیدی میکرومتری شبیه به موهای پای گکو.

۳- ساختارهای نانومتری در سوسک‌ها، مگس‌ها، آبدزک و عنکبوت

سوسک‎ها و مگس‎ها نیز نانوساختارهایی دارند که به آن‌ها کمک می‎کند تا به دیوارها و سقف‎ها و چیزهایی که به ظاهر صافند بچسبند. در تغییر ابعاد موجود شکل این پاها تغییر می‎کند.

شکل ۶- شکل ستا و اسپاتول در سوسک، مگس، عنکبوت و گکو و تغییر آن‌ها

در زمان برداشتن پاهای مارمولک باید پاها را از دیوار بکند و این کار با لوله کردن ستاها به داخل انجام می‎‎شود[۳]. آبدزدک‌های گرایدای حشرات کوچکی حدود یک سانتی‌متر هستند که به طور معمول روی سطح آب برکه‎ها، یا آب‌های ساکن دیده می‎شوند. شبیه به سایر حشرات آن‌ها هم ۶ پای متصل به هم دارند که از شمار زیادی ستا تشکیل شده است. آبدزدک روی آب اسکی هم می‌رود و بدون آنکه پاهای آن در آب فرو برود و خیس بشود این کار را انجام می‎دهد. در اثر راه رفتن آبدزدک سکون آب به هم نمی‎خورد. این مساله نیز مدت‌هاست که دانشمندان را به تفکر واداشته است. در گذشته دانشمندان علت این رخداد را کشش سطحی ناشی از انحنای سطوح آزاد می‎دانستند.

در سال ۲۰۰۴ این حقیقت مشخص شد که ساختار میکرو و نانومتری پاها در خواص ضد آب آن‌ها تاثیر بالایی دارد. ساختار پاهای آبدزدک‌ها 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 آن‌ها و از همه مهم‌تر اینکه میکروموهای پاهای آن‌ها از نانوشیارهای مارپیچی تشکیل شده‎ است. سنجش مکانیکی پاها نشان داده است که حداکثر نیروی حمایت کننده یکی از پاها ۱۵ برابر کل وزن بدن حشره است. این راهنمای خوبی برای طراحی سطوح فوق آبگریز در حرکت و وسایل آبی است [۳].

تصاویری با کیفیت SEM نشان می‎دهد که میکروموهای سوزنی شکل پاها را پوشانده‎اند. قطر موهای انسان ۸۰ تا ۱۰۰ میکرومتر است. قطر ستا در پای آبدزدک کمتر از ۳ 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 اجازه‌ی تر شدن پاها را نمی‎دهد. بنابراین آبدزدک می‎تواند با سرعت روی آب راه برود، بدون اینکه پاهایش خیس شود و این فوق آبگریزی پاها در مقیاس ماکرو (ابعاد عینی) دیده می‎شود [۳].

شکل ۷- الف) آبدزدک 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

بررسی‎ها نشان می‌دهد که وقتی پاها به سطح آب می‎خورد می‎تواند تا عمق ۴ میلی‌متری فرو برود و حجم آب دفع شده در این حالت، ۳۰۰ برابر حجم خود پا است. این دافعه‌ی آب از نیروی پشتیبان سطحی بالای آن نشأت می‌گیرد و نیروی تنهای یکی از پاها کافی است تا ۱۵ برابر وزن آبدزدک روی سطح آب را تحمل کند. این نیروی پشتیبان مطمئن‌ترین تضمین برای آن است که آبدزدک حتی در طوفان‎های شدید نیز می‌تواند 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[۳].

قابلیت فوق‌العاده عنکبوت در چسبیدن و بالارفتن از سطوح صاف معلق بر اساس نیروهای واندروالس است. بعد از محاسبات آن‌ها دریافتند که نیرویی که پاها به عنکبوت می‎دهند، ۱۷۰ برابر وزن بدنش است. این نیرو کمی متاثر از محیط پیرامون می‌باشد، به صورتی که عنکبوت می‎تواند از سطوح‌تر یا صاف هم عبور کند. بعد از مشاهده‌ی پاهای عنکبوت زیر میکروسکوپ SEM مشخص شد در این پاها نیز تعداد زیادی موی ستا وجود دارد، که روی آن‌ها یک لایه چندصد نانومتری (ستول^[۱]) قرار دارد. با این ستا و ستول‎ها، عنکبوت می‌تواند از سطح یک جامد بالا برود و همچنین اندازه‌گیری‎های بیشتر با AFM نشان داد که هر ستول می‌تواند ۴۰ نانونیوتن ایجاد کند، این آنقدر زیاد است که بتواند یک عنکبوت ریز ۱۵ میلی‌گرمی را جابجا کند. دانشمندان عقیده دارند این نیروی چسبندگی از تعامل واندروالسی بین ستول‌هایی که اتصال ضعیفی دارند و فاصله هر کدام از آن ها با هم حدود چندین نانومتر است. تجمع اثر تعامل‌های بسیار خرد، روی همه ۸ پای عنکبوت می‎تواند به نیرویی منجر شود که در ابعاد عینی(ماکرومتری) بسیار بزرگ است[۳]. این ویژگی در بدن عنکبوت و پاهای آن به پدیده‌ای منجر می‌شود که کمک می‌کند عنکبوت در آب خیس نشود. بر این اساس پارچه‌هایی ساخته شده که در آب خیس نمی‌شوند [۴].

شکل ۸- 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 سوسک‌ها با سطح نیز با همان مکانیزم توجیه می‎شود. مشاهدات SEM نشان می‌دهد که سرهای تارهای شکمی پاهای سوسک به طور جمعی به هم می‎چسبند و خوشه‎هایی را می‌سازند که این خوشه‎ها به صورت ردیف ردیف مستقر شده‎اند [۳].

بیشتر حیوانات و حشرات با نیروی بالای چسبندگی روی پاهایشان قابلیت چسبندگی را از نیروی مویینگی آب به دست آورده‎اند. با این حال گکوها، عنکبوت‌ها، مگس‌ها و برخی سوسک‌ها می‎توانند از سطوح عمود یا سقف‌ها بدون نیاز به آب بالا بروند. نوار چسب‌های ساخته شده با ساختار مشابه پاهای این موجودات می‎تواند بارها و بارها بچسبد و جدا شود. لباس‌های فضانوردان یا چسب‌هایی که زیر دریا است می‎تواند با این مکانیزم، حرکت آن‌ها را در سطوح خارجی تسهیل کند. در رباتیک نیز از این نوع چسب‌ها می‌توان برای ساخت مارمولک‌های مصنوعی بهره برد [۳].

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۴- منابع

[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

۵- پاورقی

[1] Setule