Решение проблемы травм, вызванных скольжением и падениями, может находиться буквально у нас под ногами. Подушечки лап гекконов обладают гидрофильными (водолюбивыми) механизмами, которые позволяют этим маленьким животным легко передвигаться по влажным и скользким поверхностям.
Скольжения и падения приводят к более чем 38 миллионам травм и 684 тысячам смертей ежегодно, согласно данным Всемирной организации здравоохранения. Почти половина этих случаев происходит на льду. Современные противоскользящие подошвы для обуви используют такие материалы, как натуральный каучук, которые отталкивают слой жидкой воды, образующийся на тротуарах в дождливую погоду.
Однако на обледенелых дорожках подошвы из таких материалов могут вызывать таяние льда из-за давления, создаваемого человеком при ходьбе, что приводит к образованию скользкой поверхности, от которой обувь должна защищать.
Предыдущие исследования лап гекконов вдохновили на разработку более эффективных противоскользящих полимеров. Эти работы показали, что липкость подушечек лап гекконов обусловлена гидрофильным капиллярным усилением адгезии: сила, с которой вода втягивается в узкие бороздки на подушечках, создает эффект присасывания, помогая ящерице передвигаться по скользким поверхностям.
Випин Ричхария, Ашиш Трипати, Мд Джулкер Найн и их коллеги поставили цель разработать полимер с капиллярным усилением адгезии, который будет работать как на мокрых тротуарах, так и на обледенелых поверхностях.
Исследователи начали с силиконового каучука и добавили наночастицы диоксида циркония, чтобы материал притягивал молекулы воды. После этого они раскатали композитный материал в тонкую пленку, затвердили его с помощью тепла и нанесли лазером бороздчатый узор на поверхность пленки, обнажив гидрофильные наночастицы диоксида циркония.
Когда пленка соприкасалась с молекулами воды на поверхности льда, она прилипала к скользкой поверхности, так как полимер имитировал капиллярное действие противоскользящих подушечек лап гекконов. Ученые протестировали пять версий материала с разным содержанием наночастиц диоксида циркония по весу: 1%, 3%, 5%, 7% и 9%.
С помощью инфракрасной спектроскопии и моделирования тестов на трение исследователи обнаружили, что наиболее устойчивыми к скольжению оказались нанокомпозиты с содержанием 3% и 5% наночастиц диоксида циркония по весу. Помимо создания вдохновленной природой противоскользящей подошвы для обуви, команда утверждает, что эта технология может быть использована в медицинских инновациях, таких как электронная кожа и искусственная кожа, где полимеры взаимодействуют с жидкостью между двумя различными поверхностями.
More information: Vipin Richhariya et al, Capillary-Enhanced Biomimetic Adhesion on Icy Surfaces for High-Performance Antislip Shoe-Soles, ACS Applied Materials & Interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c14496