זיפים סינתטיים

אילוסטרציה – רובוט StickyBot שפותח על ידי חיקוי שערות השממית

מבט מקרוב - רגל השממית

הפגנת קשר ואן דר ואלס, שממית נצמדת לזכוכית אנכית

תמונה שצולמה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק – צבר של ננו צינוריות פחמן

זיפים סינתטיים הם פיתוח מלאכותי מעשה ידי אדם של שערות זעירות עם תכונת דבק יבש, המאפשרות אחיזה על גבי משטחים שונים.

רקע

פיתוח זיפי שיער עם דבק יבש שייך לתחום הביומימטיקה המנסה לחקור את אופן פעילותו של הטבע על מנת לקבל השראה ממנו ולעיתים אף לחקותו באמצעות יצירת טכנולוגיה לצורך פתרון בעיה אנושית. במשך השנים בוצעו מחקרים רבים העוסקים בקווצות השיער הנמצאות על בהונות השממית ועל רגלי חרקים שונים, ובעקבות מחקרים אלו פותחו שורה של דבקים ביומימטיים בעלי תכונות מיוחדות. נמצא כי על חמש אצבעות הרגליים של השממית קיימות שערות אלסטיות המחולקות למבנים ננומטריים המאפשרות לשממית לטפס על קירות אנכיים ולהידבק כמעט לכל משטח. קווצות השיער הללו מתפצלות על שטח מזערי ברמה ננומטרית אשר נקרא "spatulae" בגלל דמיונו ל-"spatulas" (=מרית).

בשנת 2000 התגלה שמנגנון ההיצמדות של השממית הוא באמצעות כוחות ואן דר ואלס. הקרבה המוחלטת של ה"מרית" אל משטח כלשהו על ידי כוחות ואן דר ואלס מספיקה כדי לייצר את כוח ההדבקה המיוחד של השממית. פיתוחים בתחום זה צפויים להניב משפחות של חומרי דבק עם תכונות העשויות למצוא את יישומם בפיתוח אמצעי הגנה הנדבקים בקלות לצורכי רפואה וספורט.

מנגנון פעולה

שממיות ידועות ביכולתן היוצאת דופן להיצמד ולרוץ על כל משטח אנכי ותקרות (לא כולל טפלון). עם זאת בהונות השממית לא נדבקות כדבק כימי, אלא יכולות להתנתק מהמשטח במהירות, ונותרות די נקיות אפילו בנוכחות מזהמים יומיומיים. שתי הרגליים הקדמיות של השממית מסוגלות לעמוד מקביל למשטח בכוח של 20.1 ניוטון. בעזרת כריות רגליים ששטחן 227 מילימטר רבוע, זהו כוח הגדול פי 40 ממשקל השממית. מדענים עוסקים בחקר סודות הדבקה יוצאת דופן זאת עוד מהמאה ה-19.

ב-175 השנים האחרונות הוצעו לפחות שבעה מנגנונים אפשריים לתופעת ההידבקות של השממית על גבי משטחים. הועלו השערות הקשורות במנגנונים של הדבקה כימית, חיכוך, יניקה, אלקטרוסטטיקה, וכוחות מולקולאריים. הפרשות דביקות של השממית נפסלו כבר בשלבים הראשוניים של המחקר, כיוון שלשממיות אין רקמת בלוטות מפרישות על בהונות רגליהן. השערת החיכוך נפסלה אף היא במהירות כיוון שכוח החיכוך אינו יכול לפעול על משטחים הפוכים. ההשערה כי רפידות הבוהן פועלות כגביעי שאיבה הופרכה ב- 1934 על ידי ניסויים שבוצעו בחלל ריק שבו הבהונות של השממית נותרו תקועות. באותו אופן, ההשערה האלקטרוסטטית הופרכה על ידי ניסוי המראה כי שממיות עדיין יכולות להידבק גם כאשר ההצטברות של מטען אלקטרוסטטי הייתה בלתי אפשרית (לדוגמה: על משטח מתכת באוויר מיונן על ידי זרם של קרני רנטגן). מנגנון ביו-מכני אשר הציע כי הקצה המעוגל של קווצות השיער יכולות לפעול כקרסים בקנה מידה ננומטרי נפסל גם הוא בעזרת העובדה ששממיות יוצרות כוחות הדבקה גדולים אפילו על משטחים מולקולאריים חלקים. הבעיה נפתרה לבסוף בשנת 2000 על ידי צוות מדענים שעבד בראשות הביולוגיים קלר אוטומן ממכללת לואיס וקלארק שבאורגון פורטלנד, ורוברט פול מאוניברסיטת ברקלי שבקליפורניה . הם הראו שהחלק התחתון של בוהן השממית בדרך כלל נושא סדרה של חריצים אשר מכוסים שורות אחידות של קווצות שיער וכל קווצת שיער מחולקת אף היא למאות קצוות מפוצלים וקצוות שטוחים. כל אלה נדבקים למשטח כלשהו על ידי כוחות ואן דר ואלס.

טכניקות ייצור הדבק המלאכותי

תהליך ייצור קווצות השיער הננומטריות באופן מלאכותי נעשה באמצעות פוטוליתוגרפיה במהלכן מקרינים אור דרך מסיכה על מצע רגיש לאור (פוטורזיסט), ובסדרה של תהליכים כימיים יוצרים את התבנית הרצויה על המצע. החומר הנפוץ ביותר לייצור הדבק הוא ננו-צינוריות פחמן (carbon nanotubes).

פיתוחים אפשריים

• רפואה - פיתוח דור חדש של תחבושות ופלסטרים שיוכלו להידבק גם בסביבה רטובה ולא להשאיר אחריהם שאריות דבק.
  
• רובוטיקה – פיתוח זן חדש של רובוטים המסוגלים לטפס על קירות ושטחים הרריים אפילו בסביבה חסרת כוח משיכה. לדוגמה: רכבי חלל.
  
• צבא – פיתוח חליפות דבק שבאמצעותן ניתן יהיה לטפס על קירות.
  
• רכב – פיתוח צמיג חדש שיהיה בעל כושר אחיזה חזק בכביש בהרבה מהצמיג הקיים.
  

ראו גם

• כוח ואן דר ואלס
• ביומימטיקה
• ננוטכנולוגיה

קישורים חיצוניים

• Prof. Kellar Autumn's Autumn Lab at Lewis & Clark College