Descoperirea unor fire de păianjen ciudate ar fi putut inspira adezivi puternici – dar reversibili

Inginerii au admirat marea versatilitate funcțională a părului picioarelor păianjenului.

Cum pășesc păianjenii drepți – și chiar cu capul în jos peste – diferite tipuri de suprafețe? Răspunsul la această întrebare poate deschide noi oportunități pentru crearea de adezivi puternici, dar reversibili, bio-inspirați. Oamenii de știință au lucrat pentru a înțelege mai bine picioarele păianjenului în ultimele decenii. Acum, un nou studiu în Frontiere în inginerie mecanică El a fost primul care a arătat că proprietățile structurilor asemănătoare părului care alcătuiesc picioarele lipicioase ale unei specii – păianjenul rătăcitor Copenius Sally Mai divers decât se credea anterior.

Imagini SEM ale microstructurii firelor de păr lipicioase („setae”). (a) Vedere laterală care arată arborele de păr până la 1,8 mm lungime (nu este prezentat în lungime totală) și regiunea vârfului acoperită cu „microtricie” (structuri fine asemănătoare părului pe firele de păr adecvate). (b) Vedere de sus a unui „scopola tampon” (un smoc gros de păr) pe partea inferioară a prematurilor. Zona vârfului este acoperită cu fire fine în formă de lingură care se lipesc de substrat în timpul mersului. (C) Imagine de mărire mai mare a unei felii de micro-păr în formă de lingură. Credit: B Poerschke, S. N. Gorb și F Schaber

„Când am început experimentele, ne așteptam să găsim un unghi specific de cea mai bună aderență și proprietăți adezive similare pentru toate filamentele individuale de atașament”, spune liderul grupului de studiu Dr. Clemens Schaper de la Universitatea Kiel din Germania. „În mod surprinzător, forțele de aderență au diferit foarte mult între firele de păr individuale, de exemplu, un fir de păr aderă mai bine la un unghi mic față de substrat, în timp ce celălalt are o performanță mai bună aproape perpendiculară.

Picioarele acestei specii de păianjen sunt formate din aproximativ 2.400 de fire mici sau „fire de păr” (o sutime de milimetru). Schaper și colegii Bastian Borschke și Stanislav Sock au colectat un eșantion din aceste peri și apoi au măsurat cât de bine au aderat la o gamă de suprafețe aspre și netede, inclusiv sticlă. De asemenea, s-au uitat la performanța părului din diferite unghiuri de contact.

Diferite tipuri de păr funcționează împreună

În mod neașteptat, fiecare păr a prezentat proprietăți adezive unice. Când echipa s-a uitat la firele de păr sub un microscop puternic, au descoperit, de asemenea, că fiecare dintre ele prezintă aranjamente scheletice diferite – și nerecunoscute anterior -. Echipa consideră că această diversitate poate fi cheia modului în care păianjenii urcă multe tipuri de suprafețe.

Prezenta lucrare a examinat doar un număr mic din miile de fire de păr de pe fiecare picior și depășește sfera resurselor disponibile pentru a lua în considerare studierea tuturor. Însă echipa se așteaptă ca nu toate firele de păr să fie unice și să fie posibil să se găsească în schimb grupuri sau modele care se repetă.

Sunt posibile aplicații bioinspirate

„Deși nanostructurile, cum ar fi cele dintr-un păianjen, sunt încă foarte greu de fabricat – în special pentru stabilitatea și fiabilitatea materialelor naturale – descoperirile noastre ar putea îmbunătăți în continuare modelele existente de adezivi sintetici reversibili, fără reziduuri”, spune Schaper. ” „Principiul diferitelor forme și aliniere a contactelor adezive, așa cum se regăsește în sistemul de legare a păianjenului, poate îmbunătăți capacitatea de atașare a materialelor inspirate biologic la o gamă largă de substraturi cu proprietăți diferite.”

(a) Suprafața orientată în jos a firului de păr în jurul ghearelor la sugarii prematuri (asteriscurile albe indică doi lobi ai firului de păr), care este compusă din mii de peri dens împachetați. Săgețile indică gheara. (B) Vedere laterală a unui smoc de păr pe un smoc atașat la o lamă de sticlă. (C) Vedere mărită a dreptunghiului din al doilea panou. Observați cum capetele părului s-au îndoit. Credit: B Poerschke, S. N. Gorb și F Schaber

Referință: „Aderența grupului cu cot unic al păianjenului Copnius sally la substraturi de rugozitate diferită și energie de suprafață diferită” De Bastian Borschke, Stanislav N. Gorb și Clemens F. Schapir, 11 iunie 2021, disponibil aici. Frontiere în inginerie mecanică.
DOI: 10.3389 / fmech.2021.702297