Электрический заряд превращает смазку в клей - и наоборот

Открытие, сделанное мюнхенскими специалистами в области нанотехнологий, открывает новые перспективы в создании клеев, степень адсорбции которых можно будет дистанционно регулировать с помощью электрического тока.

Об этом, наверное, мечтал каждый, кто хотя бы раз сам делал дома ремонт: эх, если бы можно было затвердевший клей снова сделать жидким, чтобы слегка выправить перекосившуюся кафельную плитку или ровнее разгладить полосу обоев! Так вот: мюнхенским специалистам в области нанотехнологий удалось разработать метод, позволяющий с помощью электрического тока изменять свойства полимерных молекул. Возможно, что на этой основе будет создан и своего рода электроуправляемый клей. Правда, до технологии, пригодной к практическому применению в быту, еще далеко, но ведь, скажем, первые лабораторные опыты с плазмой тоже едва ли предвещали появление бытовых газоразрядных ламп...

Энтропия диктует компромисс

Физики хорошо знают, что любая реальная система, предоставленная самой себе, стремятся к разупорядочению, поскольку это энергетически выгодно. Естественно, этому закону подчиняются и полимеры: в растворе их длинные молекулы-цепочки не вытянуты в ряд, а хаотично скомканы и перепутаны,

Профессор Мюнхенского центра нанотехнологий Герман Гауб (Hermann Gaub) поясняет: "Полимер стремится к максимальной хаотичности. В науке принято говорить об энтропии, понимая эту функцию состояния как меру беспорядка. Энтропия всегда только возрастает. Если молекула полимера в растворе соприкасается с поверхностью, то оказывается как бы перед выбором: с одной стороны, взаимодействие с поверхностью может дать ей энергетическую выгоду, с другой стороны, ей придется ради этого слегка упорядочиться, пожертвовать некоторой долей хаотичности. То есть молекулы ищут компромисс, при котором суммарная энергия системы минимальна".

На практике этот компромисс означает, что молекула хоть и укладывается на поверхность, но не вытянувшись по струнке, а причудливыми изгибами. Нечто очень похожее происходит при попытке ровно уложить на тарелке вареную спагеттину, - говорит профессор Гауб: "Тут возможны два варианта. Если ваши спагетти липкие, то по всей длине приклеиваются к тарелке. Если же спагетти в масле, то они будут по тарелке скользить. Это важное различие, определяющее многие из прикладных применений полимеров: если их молекулы подвижны относительно поверхности, то могут выполнять функцию смазки, а если они сцепляются с поверхностью, то могут служить клеем".

Дистанционное управление поведением полимера

Мюнхенские физики располагают одной из немногих в мире экспериментальных установок, позволяющих захватывать отдельные полимерные молекулы, переносить их на различные подложки и снова удалять. Используя этот наноманипулятор, напоминающий миниатюрную вилку, профессор Гауб и его коллеги обнаружили, что поведение молекул в значительной мере зависит от электрического заряда подложки.

"Тут сама собой возникла идея собрать такую систему, чтобы можно было, регулируя величину заряда, управлять силой связи между полимером и подложкой, - говорит ученый. - Мы так и поступили: взяли подложку, выполненную из диэлектрика, то есть изолятора, и изменяли величину электрического заряда на ее поверхности с помощью конденсатора, при этом изменялась и степень адсорбции полимера. В частности, наши опыты с ДНК (эти молекулы, по вполне понятным причинам, интересуют нас особенно) показали, что с помощью электрического заряда их можно и прочно привязать к поверхности, и, наоборот, согнать с нее".

Между тем, действие практически любого современного клея основано на химических реакциях, продолжительность которых измеряется минутами или даже десятками минут. Открытие мюнхенских ученых открывает совершенно новые перспективы: одно нажатие кнопки - и смазка мгновенно превращается в клей; еще одно нажатие кнопки - и клеевое соединение расходится, клей снова превращается в смазку. "Существует немало прикладных задач, в которых было бы весьма желательно иметь такую возможность - с помощью электрического рубильника включать и выключать клей, - говорит профессор. - Дистанционное управление такими физическими феноменами как трение и склеивание сделает их совместимыми со всеми прочими процессами и эффектами, которые сегодня управляются электронными микросхемами".

Ряд промышленных фирм уже проявили интерес к открытию профессора Гауба и его коллег. Однако когда на основе этого открытия будет разработан первый коммерческий продукт и в какой отрасли он найдет применение, сегодня никто еще сказать не может.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман

DW