Решение: Значение термина силы Ван-дер-Ваальса

Прочитайте текст и выполните задания.

КАК ДВИГАЕТСЯ ГЕККОН?

Текст 1

Вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов. В свою очередь в атоме выделяют положительно заряженное ядро, вокруг которого двигаются отрицательно заряженные электроны. Обычно электроны рассеяны вокруг ядра атома равномерно. Однако у электрона, который движется вокруг ядра, нет постоянной траектории. В таком случае учёные говорят о вероятности того, что электрон может находиться в любой области пространства вокруг ядра. Из-за того, что у электрона отсутствует постоянная траектория движения вокруг ядра, оказывается, что есть вероятность, что в какой-то момент времени электроны могут сосредоточиться в одной стороне от ядра (см. рис. 1). В таком случае в атоме может возникать некомпенсированный заряд. Если представить, что в другом атоме, который будет расположен близко, также возникнет заряд, то два атома начнут притягиваться друг к другу. Возникают силы межмолекулярного взаимодействия, которые названы по имени их первооткрывателя Яна Ван-дер-Ваальса. Эти силы непостоянны. Как только заряд в атоме будет скомпенсирован, взаимодействие исчезнет. Более того, такие силы возникают на расстоянии в несколько десятков нанометров (одна миллиардная часть метра). Поэтому данное взаимодействие является очень слабым и заметно лишь при отсутствии взаимодействий других типов. Помимо описанных взаимодействий, к силам Ван-дер-Ваальса относятся и другие силы, которые возникают между молекулами. Например, водородные связи, которые возникают в воде и спирте, тоже можно считать силами Ван-дер-Ваальса. Как уже было сказано, в пределах одной молекулы силы Ван-Дер-Ваальса непостоянны, однако в веществах содержится огромное количество молекул. Например, 18 граммов воды содержат 6×10
23
молекул воды. Поэтому силы Ван-дер-Ваальса можно считать постоянными на макроуровне, так как множество молекул одновременно вступают в такие взаимодействия.

Рис. 1. Возникновение сил Ван-дер-Ваальса

Текст 2

КОНЕЧНОСТИ ГЕККОНА

Гекконы – большой по числу видов род рептилий, представители которого обитают преимущественно в засушливых местах земного шара. Отличительной особенностью гекконов, которая привлекала внимание учёных, является их способность буквально бегать по потолку и стенам. Причём текстура материала, по которому движется геккон, может быть совершенно разнообразной, что не мешает геккону быстро убегать от хищника, казалось бы, нарушая принципы гравитации. Гекконы могут перевёрнутыми удерживаться даже на стекле! Чтобы понять механизм работы конечностей геккона, надо обратиться к их строению. Дело в том, что лапки геккона представляют собой удивительно сложную с инженерной точки зрения иерархическую структуру. На пальцах у геккона видна поперечная исчерченность, которая образована ламеллами. В свою очередь на кончиках ламелл формируются многочисленные ворсинки – сеты. Сеты разветвляются на ворсинки меньшего порядка несколько раз. Наконец, конечное разветвление сеты представляет собой расширенное на конце образование – спатулу (см. рис. 2). Именно спатулы непосредственно контактируют с поверхностью. Это настолько мелкие структуры, что их возможно увидеть только в электронный микроскоп. Толщина спатул составляет 1/10 от толщины человеческого волоса, а на одном квадратном миллиметре подошвы пальцев геккона располагается более 5000 спатул. За счёт их размера, близкого к молекулярному, между молекулами спатул и поверхностью возникают силы Ван-дер-Ваальса. Это слабые силы. Было рассчитано, что одна спатула способна удерживать лишь 2 миллиграмма веса. Однако за счёт огромного количества таких ворсинок на лапе, геккон по теоретическим расчётам, способен выдержать даже человека!

Рис. 2. Схема строения конечности геккона

Текст 3

ГЕККОНОВЫЙ СКОТЧ

Конечно, такой элегантный способ движения гекконов, придуманный природой, не мог пройти мимо инженеров. С самого момента открытия этого явления различные научные группы принимали попытки создать синтетическую конечность геккона, которая могла бы масштабироваться под человеческий вес. Однако это было невозможно до полного исследования природы механизмов, лежащих в основе движения гекконов. Первая условно успешная попытка создать подобный материал была предпринята ещё в 2008 г. Используя оборудование, на котором делают микросхемы, из наноматериалов сделали плёнку, которая уступает конечности геккона по силе адгезии в несколько десятков раз. Для того чтобы такой плёнке удержать среднестатистического человека, требовалась лента площадью с половину альбомного листа. К сожалению, такую плёнку нельзя было использовать повторно множество раз: микроворсинки плёнки разрушались в процессе контакта с поверхностью, и сила адгезии уменьшалась кратно при каждом использовании. Дальнейшие попытки разработки гекко-скотча были предприняты учёными из Стэндфордского университета и института зоологии имени Х. Альберта. При этом для создания новых вариантов плёнки учёные не пытались придумать технологию, которая имитирует конечность геккона. Наоборот, были изготовлены формы для отливки, которые на микроуровне напоминали конечности животного. Затем в формы заливалась специальная силиконовая основа. Таким образом получался материал, который воссоздаёт реальное строение лапы рептилии. На сегодняшний день плёнка ещё не вышла в массовую продажу, хотя некоторые наиболее продвинутые коммерческие варианты обладают плотностью ворсинок, приближенной к реальности (около 30 тысяч ворсинок на 1 квадратный сантиметр) и способны обеспечить многократное надёжное прилипание-отлипание.

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка