Yi Sung
Gekon słynie z tego, że jest ekspertem i zdolnym wspinaczem przykleja się do każdej powierzchni Dzięki maleńkim włoskowatym strukturom na spodzie stóp. Wraz z kolegami z Oregonu, Danii i Niemiec naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) przyjrzeli się bliżej tym strukturom za pomocą synchrotronu wysokoenergetycznego, ujawniając, że są one pokryte bardzo cienką warstwą cząsteczek lipidów. W pozycji pionowej, zgodnie z a ostatni artykuł Opublikowano w Biology Letters.
Te maleńkie mikroskopijne włoski nazywane są włosami, z których każdy jest podzielony na setki mniejszych włosków zwanych szpatułkami. Od dawna wiadomo, że w mikroskopijnych łuskach wielkości tzw Siły Van der WaalsaIstotne stają się siły przyciągania i odpychania między dwiema cząsteczkami dipolowymi.
Zasadniczo maleńkie kępki włosów na stopach gekona zbliżają się do linii na ścianach i sufitach, tak że elektrony z cząstek włosów gekona i elektrony z cząstek ścian oddziałują ze sobą i tworzą przyciąganie elektromagnetyczne. Dzięki temu gekony mogą bez wysiłku wspinać się po gładkich powierzchniach, takich jak szkło. Pająki, świerszcze, chrząszcze, nietoperze, żaby drzewne i jaszczurki mają lepkie poduszki na stopy o różnych rozmiarach, które wykorzystują te same siły.
Gekony i ich niezwykłe stopy od dawna interesują naukowców. Na przykład w 2013 roku naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara opracowali akta Suchy klej wielokrotnego użytku Zainspirowany stopami gekona, który łatwo przykleja się do gładkich powierzchni, mocno przywiera po pchnięciu do przodu i ślizga się po odciągnięciu do tyłu. Sekretem tego trendu był kąt i kształt półcylindrycznych włókien wytworzonych w kleju na bazie silikonu. Naciśnięcie płaskiej strony w dół spowodowało zwiększenie powierzchni przylegania do powierzchni szklanej. Ciągnięcie włókien okrągłą stroną w dół zmniejszyło powierzchnię, dzięki czemu klej mógł się łatwo zsunąć.
W 2020 r. Berkeley Scholars zbadaj dlaczego Palce gekona o miękkich włosach „sklejają się” tylko w jednym kierunku. Pociągnij jedną stopę w jednym kierunku, a palce gekona przylgną do powierzchni. Zwolnij stopę, a ona „obierze” palce w przeciwnym kierunku, chociaż nie przeszkadza to wdzięcznemu gekonowi poruszać się w dowolny sposób. Naukowcy znalazłem to Gekony mogą biegać na boki z taką samą prędkością, z jaką się wspinają, dzięki możliwości ponownego ustawienia palców u nóg. Posiadanie wielu palców pomaga gekonom przystosować się do przyklejania się do śliskich lub nieregularnych powierzchni. Palce, które pozostawały w kontakcie z powierzchnią, były w stanie zmienić kierunek i lepiej rozłożyć obciążenie. A ponieważ palce są miękkie, zwierzęta łatwiej przystosowują się do szorstkich powierzchni.
-
Po lewej: stopy Gecko. Środek: skaningowy mikroskop elektronowy przedstawiający włoskowate struktury na palcach gekona, zwanych szczecinami, z „sp” wskazującym położenie mniejszych struktur zwanych łyżkami. Po prawej: zbliżenie na pojedynczą łyżkę.
(po lewej) Bjørn Christian Tørrissen / CC BY-SA 3.0; (w środku, po prawej) Stanislas Sock / Uniwersytet w Kilonii
-
Ilustracja przedstawiająca łyżkę gekona, nanometryczną strukturę na palcach zwierzęcia, która przyczynia się do jego chwytu. Zielone liście reprezentują białka keratynowe. Szare linie reprezentują cząsteczki lipidów. Na podstawie danych z mikroskopu synchrotronowego NIST.
Marianne Meijer/Sztuka i grafika w samolotach
-
Fizycy NIST Dan Fisher (po lewej) i Cherno Gay (po prawej) przy mikroskopie synchrotronowym NIST w Brookhaven National Laboratory.
C. Weiland / NIST
Pomimo wszystkiego, czego się dowiedzieliśmy, niewiele wiadomo o szczegółowej chemii powierzchni poduszek gekonów, zwłaszcza o łatach. Dlatego autorzy tego najnowszego artykułu badawczego postanowili dowiedzieć się więcej, ze szczególnym zainteresowaniem potencjalnie znaczącą rolą, jaką woda może odgrywać w adhezji powierzchniowej. „Wiele już było wiadomo o tym, jak żele działają mechanicznie” Fizyk powiedział NIST i współautor Cherno Jaye. „Teraz lepiej rozumiemy, jak to działa pod względem struktury molekularnej”.
Według autorów ostatnie badania wykazały obecność hydrofobowych cząsteczek lipidowych w śladach stóp i matrycach gekona (można je również znaleźć w naskórku gadów, ułożonym w ceglano-zaprawowy wzór). Mikroskop synchrotronowy Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) doskonale nadaje się do bliższego przyjrzenia się strukturze molekularnej, ponieważ może nie tylko identyfikować molekuły na powierzchni obiektów 3D, ale także precyzyjnie ujawniać, gdzie się znajdują i jak są skierowane.
Autorzy spekulują, że ta cienka warstwa lipidu (grubość zaledwie nanometra) może wypchnąć wodę spod łyżek, pozwalając łyżkom na bliski kontakt z powierzchnią, pomagając gekonom utrzymać przyczepność na mokrych powierzchniach. Ponadto łyżki i łyżki składają się z białka keratyny, podobnie jak białka znajdujące się w ludzkich włosach i paznokciach. Analiza wykazała, że włókna keratynowe układają się w kierunku włosa, co może być przyczyną odporności na ścieranie.
Stopki Gecko inspirowały w przeszłości wiele ciekawych zastosowań, w tym wspomnianą wcześniej taśmę klejącą i klej oraz „lepki„Robot wspinaczkowy z kotwicą protetyczną, a nawet (nie żartuję) Biustonosz bez ramiączek. Sójka i inni. Wyobraź sobie „buty gekona”, które mogą przyklejać się do mokrych powierzchni lub „rękawice gekona”, aby lepiej chwycić mokre narzędzia, jako potencjalne zastosowania ich najnowszych badań.
„Najbardziej ekscytującą rzeczą w tym systemie biologicznym jest to, że wszystko jest idealnie zoptymalizowane w każdej skali, od makro przez mikro do molekularnej” Współautor Stanislav Sock powiedział, biolog z Uniwersytetu w Kilonii w Niemczech. „Może to pomóc inżynierom biomimetycznym wiedzieć, co robić dalej”.
