gecko-80980887

Σαμιαμίδι – Μυστικά που κολλάνε

ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΡΟΣ Α: ΑΝΤΙΓΡΑΦΟΝΤΑΣ ΤΗ ΦΥΣΗ

FACEBOOK_MAINΠερίπου 2500 χρόνια πριν ο Αριστοτέλης είχε αναφερθεί στα σαμιαμίδια εντυπωσιασμένος από τις ικανότητες τους: «Τρέχουν πάνω κάτω σε ένα δέντρο με οποιοδήποτε τρόπο ακόμη και με το κεφάλι προς τα κάτω».
Σήμερα είναι γνωστά περίπου 1000 είδη σαμιαμιδιών, αλλά αυτό που έχει μελετηθεί εκτεταμένα τα τελευταία χρόνια είναι το Tokay Gecko (Gekko gecko).
Ο άνθρωπος ανέκαθεν προσπαθούσε να παρατηρήσει τη φύση και να αναπαράγει τα μυστικά της για δικό του όφελος. Εξαίρεση δε θα μπορούσαν να αποτελούν και οι εντυπωσιακές ιδιότητες των σαμιαμιδιών τα οποία συγκολλούνται πολύ ισχυρά σε μία επιφάνεια χωρίς να χάνουν τη δυνατότητα ταχείας αποκόλλησης.
Με βάση αυτή την παρατήρηση, πολλές επιστημονικές ομάδες ανά τον κόσμο προσπαθούν να ΄΄εκμαιεύσουν΄΄ τα μυστικά από τα πόδια του σαμιαμιδιού (μολυντηριού), ώστε να δοκιμάσουν πιθανές εφαρμογές σε καθημερινές και μη ανάγκες. Σκεφτείτε να υπήρχε ένα υλικό που θα χρησίμευε ως ισχυρή κολλητική ταινία, ενώ ταυτόχρονα θα μπορούσε να ξεκολλάει εύκολα και να χρησιμοποιείται πολλές φορές σαν σημείωμα post-it.

Τα μυστικά του νανόκοσμου

Πώς θα είναι η ζωή μας στο μέλλον; Μπορούμε άραγε να αντιγράψουμε την φύση; Μέχρι που μπορεί να φτάσει η τεχνολογία; Από τι αποτελείται ο κόσμος;
Ταξιδεύοντας πίσω στο χρόνο, πριν από 2.400 χρόνια ο Λεύκιππος και ο μαθητής του Δημόκριτος ισχυρίστηκαν ότι ο υλικός κόσμος αποτελείται από άτομα. Μια σταγόνα βροχής περιέχει  1.000.000.000.000.000.000.000 άτομα, καθώς αυτά χαρακτηρίζονται από απειροελάχιστες διαστάσεις (ένα δέκατο του νανομέτρου). Το ένα νανόμετρο αντιστοιχεί σε 10-9 μέτρα  και για να κατανοήσουημε τα σχετικά μεγέθη μπορούμε να συγκρίνουμε με τη φαντασία μας, το μέγεθος της γης, μίας μπάλας και ενός φουλλερενίου. Το ένα νανόμετρο ισούται περίπου με το 1/80.000 μιας ανθρώπινης τρίχας ή με το μήκος 10 ατόμων υδρογόνων στη σειρά (Η-Η-Η-Η-Η-Η-Η-Η-Η-Η).
 Όταν ένα κοινό υλικό υφίσταται σε επίπεδο νανοκλίμακας τότε παρουσιάζει πρωτότυπες και μοναδικές ιδιότητες, σε σχέση με τα μόρια ή τα ευμεγέθη, κλασσικά υλικά. Αυτός ο θαυμαστός και μαγικός κόσμος είναι ο κόσμος της Νανοτεχνολογίας.

nanoworld

Η νανοτεχνολογία περιλαμβάνει την μελέτη και χρήση πολύ μικρών υλικών τα οποία καλούνται νανοσωματίδια και μας δίνει την δυνατότητα ελέγχου ή χειρισμού υλικών σε ατομική κλίμακα με πρωτότυπες ιδιότητες και λειτουργίες.

Η ΑΝΑΤΟΜΙΑ ΤΟΥ ΜΥΣΤΙΚΟΥ – ΜΕ ΤΗΝ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΟ ΤΑΒΑΝΙ

Το δέρμα από τα δάχτυλα του σαμιαμιδιού χαρακτηρίζεται από μία ιεραρχικά οργανωμένη δομή. Μακροσκοπικά παρατηρούμε σειρές από φυλλώδεις δομές (lamellae) που θυμίζουν κατά κάποιο τρόπο τα ανθρώπινα δαχτυλικά αποτυπώματα. Αν πλησιάσουμε πιο κοντά (σίγουρα η διακριτική ικανότητα του ανθρώπινου μάτιου δεν αρκεί πια) παρατηρούμε ότι οι φυλλώδεις δομές αποτελούν συστοιχίες από τριχίδια (setae) καθένα εκ των οποίων αποτελείται από ένα κύριο σώμα το οποίο καταλήγει σε πολυάριθμες σπαθοειδείς διακλαδώσεις (spatulae). Η απόληξη των διακλαδώσεων αυτών είναι τριγωνικές δομές, οι οποίες όπως φαίνεται έρχονται σε επαφή με την επιφάνεια προς συγκόλληση-αποκόλληση. (Εικόνα 2).

Κάθε τριχίδιο έχει μήκος περίπου 110 μm και διάμετρο 4.2 μm. Αξίζει να αναφερθεί ότι κατά τη διάρκεια της εξέλιξης τα τριχίδια έχουν εμφανιστεί μέχρι και στην ουρά του σαμιαμιδιού!  (Πίνακας 1)
Τα περίπου 3 εκατομμύρια τριχίδια που βρίσκονται στα δάχτυλα ενός σαμιαμιδιού θα μπορούσαν να σηκώσουν όλα μαζί μάζα 133 χιλιόγραμμων. Το εκπληκτικό είναι ότι παρά τις τεράστιες αυτές δυνάμεις συγκόλλησης με την επιφάνεια, το σαμιαμίδι έχει την ικανότητα να αποκολλήσει τα πόδια του μέσα σε 15 χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Η χημική δομή των τριχιδίων χαρακτηρίζεται κυρίως από β-κερατίνη σε συνδυασμό με κάποια μέρη από α-κερατίνη.
Όλη η προαναφερθείσα μορφολογία καθώς και η χημική δομή παρουσιάζει αξιοσημείωτη ποικιλομορφία ανάλογα με το είδος του μολυντηριού.

ΤΟ ΜΥΣΤΗΡΙΟ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΔΡΑΣΗΣ

Τους τελευταίους δύο αιώνες έχουν προταθεί 7 πιθανοί μηχανισμοί οι οποίοι θα μπορούσαν δυνητικά να εξηγήσουν τα παραπάνω εντυπωσιακά δεδομένα. Η ερμηνεία του μηχανισμού έχει ιδιαίτερη σημασία καθώς η κατανόησή του αποτελεί το κλειδί για την αναπαραγωγή του ΄΄φυσικού΄΄ φαινομένου από τον άνθρωπο.
Για τη διαλεύκανση αυτών των μηχανισμών τα τελευταία χρόνια «επιστρατεύθηκαν» ειδικοί μίκρο-ηλεκτρομηχανικοί αισθητήρες (MEMS) με την βοήθεια των οποίων υπολογίστηκαν οι δυνάμεις συγκόλλησης και αποκόλλησης τριχιδίων, τα οποία είχαν αποκοπεί από την προαναφερθείσα ιεραρχική δομή.
Charles-DickensΌταν απομονώθηκαν τα τριχίδια, αρχικά παρατηρήθηκε ότι αυτόματα χάνονταν οι ικανότητες συγκόλλησης και αποκόλλησης.
Σε εκείνο το σημείο έγινε η υπόθεση ότι ίσως οι δυνατότητες αυτές να οφείλονταν σε κάποιο έκκριμα χημικών ενώσεων, το οποίο δεν ήταν δυνατό να υπάρξει λόγω της αποκοπής των τριχιδίων από το υπόλοιπο σώμα. Η απόρριψη της συγκεκριμένης υπόθεσης επήλθε όταν διαπιστώθηκε ότι η ικανότητα συγκόλλησης και αποκόλλησης είναι εξαρτώμενη μηχανικά από τη τρισδιάστατη διευθέτηση του τριχιδίου με την επιφάνεια επαφής καθώς και από το μέγεθος  προφόρτισης κατά την αρχική επαφή.
Με τις συγκεκριμένες μελέτες απερρίφθησαν αρκετοί από τους πιθανούς μηχανισμούς, αφήνοντας ως επικρατέστερο τη δράση μέσω διαμοριακών δυνάμεων (Van der Waals).
Οι δυνάμεις Van Der Waals πήραν το όνομα τους από τον γερμανό επιστήμονα Johannes Van Der Waals (1837-1923). Αποτελεί το σύνηθες όνομα με το οποίο περιγράφονται οι διαμοριακές δυνάμεις στο σύνολο τους. Αυτές οι δυνάμεις είναι διαφόρων τύπων όπως δυνάμεις διπόλου-διπόλου,  δυνάμεις London καθώς και  δεσμοί υδρογόνου.

ΕΝΑ ΘΑΥΜΑΣΤΟ, ΑΝΕΞΗΓΗΤΟ ΑΥΤΟΚΑΘΑΡΙΖΟΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

Το οξύμωρο, όπως ήδη αναφέρθηκε, είναι ότι τα τριχίδια του σαμιαμιδιού έχουν ταυτόχρονα ισχυρές συγκολλητικές και απόκολλητικές ιδιότητες. Είναι ιδιαιτέρως ενδιαφέρον το γεγονός ότι τα τριχίδια δεν συγκολλούνται μεταξύ τους. Σε αντίθεση με ό,τι συμβαίνει με τα συμβατικά συγκολλητικά υλικά, τα τριχίδια δεν παραμένουν ρυπασμένα αλλά αυτοκαθαρίζονται. Είναι πραγματικά εντυπωσιακό ότι όταν μολύνθηκαν τα τριχίδια με μικροσφαιρίδια διαμέτρου 2.5 μm ανέκτησαν την ικανότητά τους να συγκολλούνται πάνω σε κάθετες επιφάνειες, αμέσως μετά από ελάχιστα βήματα πάνω σε επιφάνεια γυαλιού.

ΠΟΙΟΣ ΥΠΟΨΗΦΙΟΣ ΚΟΛΛΑΕΙ ΚΑΛΥΤΕΡΑ;

Το σαμιαμίδι δεν αποτελεί το μόνο φορέα του θαυμαστού φυσικού επιτεύγματος της συγκόλλησης-αποκόλλησης. Οι αράχνες και τα έντομα διαθέτουν παρόμοια συστήματα. Η ιεραρχική οργάνωση των συστημάτων είναι όμοια, με μία αξιοσημείωτη μεταβολή. Τα τριχίδια διακλαδίζονται σε σπαθοειδείς δομές (spatulae), οι οποίες καταλήγουν στις τριγωνικές δομές που «αναλαμβάνουν» τη συγκόλληση-αποκόλληση. H ακτίνα των τριγωνικών απολήξεων μειώνεται όσο αυξάνεται η μάζα του οργανισμού. Η μικρότερη ακτίνα επιτρέπει τη συνύπαρξη περισσότερων τριχιδίων ανά μονάδα επιφάνειας, με αποτέλεσμα η δύναμη συγκόλλησης να είναι πολύ ισχυρότερη, εξισορροπώντας με αυτόν τον τρόπο τη δυσκολία συγκόλλησης που προκύπτει από την αυξανόμενη μάζα του οργανισμού. (Εικόνα 3)

ΘΑΥΜΑΣΤΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΝΟΣ ΘΑΥΜΑΣΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ

Η αποκάλυψη του μεγαλύτερου μέρους των μηχανιστικών λεπτομερειών του φαινομένου, θα οδηγήσει στην πλήρη κατανόησή του. Από εκείνο το σημείο και μετά θα μπορέσουμε να αναπαράγουμε αντίστοιχα φαινόμενα, προσαρμοσμένα στις δικές μας ανάγκες και χρήσεις.

Επειδή ακόμη δεν έχουμε προσεγγίσει αυτό το σημείο (αν και οδεύουμε προς τα εκεί), οι όποιες εφαρμογές προς το παρόν βασίζονται στην υπάρχουσα γνώση αλλά και σε μεγάλο ποσοστό στο παράγοντα της τύχης. Αυτό όμως δε μας εμποδίζει από το να φανταζόμαστε πιθανές εφαρμογές αυτής της αξιοθαύμαστης συνυπάρχουσας ικανότητας συγκόλλησης-αποκόλλησης.

Η Βιοïατρική αναμένει την βοήθεια του «σαμιαμιδιού» για να επωφεληθεί από τη χρήση συγκολλητικών παραγόντων για ιστούς, αφού πρώτα επιβεβαιωθεί η ασφάλεια της χρήσης τους.

Βιομιμητική – Αντιγράφοντας τη φύση

Οι νανοτεχνολόγοι αγαπούν τη φύση και προσβλέπουν στην σύνθεση νανοϋλικών, τα οποία δυνητικά έχουν χρήσιμες και πρακτικές ιδιότητες με εξίσου ενδιαφέρουσες εφαρμογές. Ομάδες από τα μεγαλύτερα Πανεπιστήμια του κόσμου έχουν καταφέρει να συνθέσουν εργαστηριακά νανοδομές (πολυμερή, νανοσωληνές άνθρακα κ.α), οι οποίες παρουσιάζουν αρκτετές ομοιότητες με τα νανοτριχίδια που φέρουν τα σαμιαμίδια.

Οι μηχανικοί θα μπορούσαν να επωφεληθούν καθώς μία ποικιλία νάνοϋλικών βασισμένων στις δομές του σαμιαμιδιού θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν υλικά (όπως βίδες, κόλλες και συνδέσμους) απαραίτητα για τη συναρμολόγηση συσκευών τεχνολογίας (υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα), μέσων μεταφοράς (αυτοκίνητα) κ.ά.

Τα  μυστικά του σαμιαμιδιού θα μπορούσαν να φέρουν «επανάσταση» στον αθλητικό εξοπλισμό (όπως είναι τα γάντια του αμερικάνικου ποδοσφαίρου) και στον εξοπλισμό αναρρίχησης, όπου η «συγκόλληση» και «αποκόλληση» του αναρριχητή θα ήταν πολύ πιο ασφαλής και άκοπη. Εντυπωσιακή χρήση πιθανότατα να υπάρξει σύντομα και σε απλά καθημερινά παιχνίδια.

Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν και τους τομείς της αεροναυπηγικής, την στρατιωτικής τεχνολογίας, της διαστημικής τεχνολογίας κ.α.

Αν όλες αυτές οι εφαρμογές γίνουν κάποτε πραγματικότητα από ένα και μόνο φυσικό οργανισμό όπως το σαμιαμίδι, τότε μπορούμε να φανταστούμε πόσα δώρα κρύβει η φύση προς τον άνθρωπο μέσα από τα μυστικά της. Το μόνο που χρειάζεται είναι να ερευνήσουμε αυτά τα θαυμαστά φαινόμενα υπομονετικά, συνεργαζόμενοι με τη φύση και οπωσδήποτε σεβόμενοι τη σοφία της αλλά και την εκδικητική της μανία όταν υπερβαίνουμε τα όρια της παρέμβασή μας.

Βιβλιογραφία
1. Kellar A. et al. Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. PNAS.,  99, 2002, 12252-12256.
2. Kellar A., Gravish N. Gecko adhesion: evolutionary nanotechnology. Phil. Trans. R. Soc., 366, 2008, 1575-1590.
3. Bhushan B., Sayer R.A., Gecko Feet: Natural Attachment Systems for Smart Adhesion Mechanism, Modeling, and Development of Bio-Inspired material. Applied Scanning Probe Methods X. Biomimetics and Industrial Applications, p.306, 2008.
4. Mahdavi A et al. A biodegradable and biocompatible gecko-inspired tissue adhesive. PNAS. 105, 2008.
5. Kellar A et al. Adhesive force of a single gecko foot-hair. Nature, 405, 2000, 681-685.
6.Shapoval S. et al. Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair. Nature Materials, 2, 2003, 461-463.

Πηγές Εικονογράφησης

1.Slider Frontpage – http://www.zoo4you.co.uk/top-5-animal-inspired-technologies/
2.Slider Frontpage – http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/nr/c2nr33027j#!divAbstract
3.
Gecko Foot top – http://www.geek.com/science/humans-finally-figure-out-how-to-climb-buildings-using-artificial-gecko-feet-1609924/

Λίγα λόγια για τους συγγραφείς

Φωτογραφία του/της Σταμάτιος Περδικάρης

Σταμάτιος Περδικάρης

Facebook Google+

BSc Chemist,
MSc Organic Synthesis,
Phd Marine Pharmacognosy

Φωτογραφία του/της Βασίλειος Μπίνας

Βασίλειος Μπίνας

Facebook Twitter

BSc Chemist
MSc Inorganic Chemistry and Nanotechnology
Phd Nanomaterials for gas storage applications – Nanotechnology


Κοινοποίησε αυτό το άρθρο

Πρόσφατα άρθρα κατηγορίας

Νανοσωματίδια για προστασία από τον καπνό των τσιγάρων

Χημικοί από το Πανεπιστήμιο του Mainz (Johannes Gutenberg University Mainz, JGU) ανέπτυξαν μία τεχνική που μειώνει τις τοξικές επιδράσεις των τσιγάρων. Τα αποτελέσματα της ερευνητικής τους δουλειάς δημοσιεύτηκαν στο...

Περισσότερα »

Βιβλία για τη νανοτεχνολογία και τη νανοχημεία

Η τελευταία δεκαετία ήταν ιδιαίτερα δραστήρια από επιστημονική άποψη στα θέματα Νανοτεχνολογίας και Νανοχημείας.  Με τον όρο Νανοτεχνολογία (nanotechnology) οι επιστήμονες περιγράφουν επιστημονικά πειράματα και έρευνα με υλικά (οργανικά...

Περισσότερα »

Νέα μέθοδος μετατρέπει το θαλασσινό νερό σε πόσιμο

Η αφαλάτωση του θαλάσσιου νερού παραμένει μια μέθοδος, η οποία ως ενεργειακά ασύμφορη δε δύναται να συνεισφέρει σε μεγάλο βαθμό στην παραγωγή πόσιμου νερού. Επιστήμονες από τη Σιγκαπούρη δημιούργησαν ένα...

Περισσότερα »

Χημικά Drones

Σε ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον άρθρο, το οποίο σαν θέμα κοσμεί και το εξώφυλλο του αντίστοιχου τέχους, το περιοδικό Chemical and Engineering News της American Chemical Society (ACS) παρουσιάζει τους...

Περισσότερα »

Ο Νανοχημικός Χαμαιλέοντας!

Είναι εντυπωσιακή η ικανότητα του χαμαιλέοντα να αλλάζει το χρώμα ανάλογα με το περιβάλλον του. Θα μπορούσε να βοηθήσει η επιστήμη της Χημείας για να αναπαραχθεί κάτι αντίστοιχο με...

Περισσότερα »

Ελαφρύ σαν μπαλόνι και σκληρό σαν μέταλλο

Τα τελευταία χρόνια το γραφένιο έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων που εμφανίζει. Το νέο υλικό είναι σε θέση να αντέξει 40.000 φορές το βάρος του χωρίς...

Περισσότερα »

Όταν η Χημεία νικάει τα ναρκωτικά

Η Χημεία, στις σύγχρονες κοινωνίες μεταξύ άλλων αποσκοπεί και στην δημιουργία και βελτίωση μεθόδων που συνδέονται με την ασφάλεια των πολιτών. Ένα μέρος των προσπαθειών εντοπίζονται στον όσο το...

Περισσότερα »