Även geckoödlor tappar taget

Inte ens geckoödlor eller spindlar kan sitta upp och ner i tak
hur länge som helst, det ser nanofysiken till. Det visar mekanikforskare på LiU i en artikel i Physical Review E. En kunskap som också är till industriell nytta.

Geckofot i närbildLars Johansson och Stefan LindströmGeckoödlor och spindlar som verkar kunna sitta stilla i evigheter och promenera omkring upp och ner i taket har länge lockat forskare runt hela världen. Nya smarta fästanordningar är också på väg ut på marknaden som fäster på samma vis som geckoödlans fot. Men faktum är att förr eller senare kommer fästet att lossna oavsett hur liten kraften är som påverkar det. Det visar Stefan Lindström och Lars Johansson, forskare på Avdelningen för mekanik, Linköpings universitet, tillsammans med Nils Karlsson, nybliven civilingenjör, i en nyligen publicerad artikel.

Ett fenomen man kan ha stor praktisk nytta av, exempelvis vid tillverkningen av grafen, som bara består av ett lager atomer, och som behöver kunna lossas smidigt från underlaget.

Fotens vidhäftning

Nils Karlssons studerade i sitt examensarbete vid Avdelningen för mekanik såväl mekaniken i geckoödlans ben som fotens vidhäftning mot underlaget. Ödlans fot har fem tår som alla har täta tvärgående lameller. Tittar man på lamellerna i svepelektronmikroskop visar det sig att de i sin tur består av mängder av små trådar som alla har en liten film i toppen som kan liknas vid en liten spatel. Tjockleken på spateln är cirka 10 nm och det är den som fäster mot underlaget.
Geckofoten
- På nanoskalan råder lite andra förutsättningar. Molekylernas rörelser är försumbara i vår makroskopiska värld, men det är de inte i nanovärlden. Examensarbetet antydde att värmen och därmed molekylrörelsen har en effekt på spatelns vidhäftning. Vi ville gå vidare med analyser och räkna fram vad som verkligen händer, berättar Stefan Lindström.

De renodlade beräkningarna till att gälla en tunn film i kontakt med ett skrovligt underlag, se figuren nedan. Filmen ligger alltså an bara mot topparna på den skrovliga ytan. De valde också att begränsa beräkningarna till den typ av svaga krafter som finns mellan alla atomer och molekyler som kallas van der Waals-krafter.


- De är visserligen små, men de finns alltid och vi vet att de är extremt avståndsberoende, säger Lars Johansson.

Van der Waals-kraften styr

Det betyder exempelvis att kraften är betydligt starkare där filmen ligger mycket nära en topp än där filmen ligger ganska nära flera toppar. När filmen sedan lossnar gör den det punkt för punkt och att den gör det beror på att båda anläggningsytorna rör sig, de vibrerar. Det är små, små rörelser, men i något läge samverkar rörelsen så att ytorna faktiskt inte ligger an och då blir van der Waals-kraften så liten att filmen lossnar.


- Rent praktiskt kan man alltså lossa en tunn film från underlaget bara genom att vänta till rätta tillfället. Då behövs heller inte någon stor kraft. Den del av filmen som sitter kvar i underlaget vibrerar hela tiden och ju hårdare jag drar i den del som sitter fast, desto snabbare lossnar filmen. Men det beror dessutom på underlagets struktur och filmens styvhet hur lång tid det tar innan filmen lossnar, säger Stefan Lindström.
Vidhäftningen
Även en liten kraft under lång tid gör alltså att filmen, eller för den delen geckoödlans fot, lossnar. Till glädje för ödlan som kan kila iväg, men kanske värre i de smarta fästsystemen. Men rätt använd kan kunskapen komma till stor industriell nytta.



Artikeln ”Metastable states and activated dynamics in thin-film adhesion to patterned surfaces” har nyligen publicerats i Physical Review E
http://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.89.062401
Tidskriften har även tagit fram en populärvetenskaplig variant, publicerad i Physical Review Focus
http://physics.aps.org/articles/v7/60
Nils Karlsson examensarbete
http://liu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A609961&dswid=-2995

Bilder av geckofoten tagna i svepelektronmikroskop av Oskar Gellerbrant, Lunds universitet.
Bilden på film på skrovlig yta: Stefan Lindström m fl

Forskare