Chlpatá hierarchia

Nuž, ako pre koho. Pre človeka to prirodzené nie je – práve preto sa chodenie po vode považuje za presvedčivý príklad zázraku a zdolanie skleného vrchu je priťažká úloha ešte aj pre rozprávkových hrdinov. 

Lenže rôzne živočíšne druhy môžu mať veľmi rôzny pohľad na to, čo je prirodzené a čo nie. Opice a slony sa asi nezhodnú v názore na prirodzenosť vzájomného ískania a odstraňovania parazitov z kože, ale nech už si o tom slony myslia čokoľvek, príroda to zjavne za neprirodzené nepovažuje. A rovnako nepovažuje za neprirodzené chodenie po vode či zvislom skle. Bzdochy dokážu chodiť po vode tak, že si pritom dokonca ani len nezamočia nohy, muchy dokážu chodiť po skle nielen v zvislom smere, ale aj dolu hlavou.

Prirodzenosťou človeka je, že dokáže použiť aj veci, ktoré pre neho prirodzené nie sú. Dokáže od iných živočíchov aj od rastlín všeličo odpozorovať a potom to využiť. Veľa moderných materiálov, či už súčasných, alebo budúcich, má pôvod práve v takomto pozorovaní.

Asi najznámejším vynálezom s bezprostredne prírodnou inšpiráciou je suchý zips. V roku 1941 si švajčiarsky inžinier George de Mestral prezrel pod mikroskopom bodliaky, ktoré sa mu nachytali na nohaviciach. Uvidel na nich malé háčiky a hneď pochopil, ako to ten podliak bodliak robí – keď sa háčiky dostanú do styku s nejakými poskrúcanými vláknami (napríklad so srsťou alebo tkanou látkou), zachytia sa o tie vlákna a pustia, až keď ich odtiahneme nezanedbateľnou silou.

Dobrou vlastnosťou inžinierov je, že sa väčšinou neuspokoja len s porozumením, ale často si skôr či neskôr položia otázku, ako by sa to dalo využiť. A tak je zrazu na svete suchý zips, hoci zatiaľ len ako idea. Od myšlienky k obchodnému úspechu potom ešte vedie dlhá cesta plná pokusov a omylov. Najprv sa musí zistiť, či sa myšlienka vôbec dá prakticky realizovať, potom treba hľadať najvhodnejšiu realizáciu a nakoniec vymyslieť spôsob, ako to vyrábať vo veľkom. To všetko si vyžaduje stovky a stovky nápadov a experimentov, ale ak sa všetko podarí, tak drobná botanická kuriozitka vedie nakoniec k veľmi užitočnej aplikácii.

Podobná história sa opakuje aj pri rôznych iných vynálezoch inšpirovaných živou prírodou. Vezmime si napríklad lotosový kvet – v Indii oddávna považovaný za symbol čistoty. Povrch listov tejto rastliny má takzvanú samočistiacu schopnosť. Všetka voda sa na ňom sformuje do drobných kvapiek, ktoré sa z neho skotúľajú a pritom so sebou vezmú všetky nečistoty, na ktoré cestou narazia. Vtip je práve v tom, že kvapky po povrchu netečú, ale naozaj sa po ňom kotúľajú. Ukazuje sa totiž, že kotúľanie je pre zber nečistôt oveľa lepšie ako tečenie.

Ale čo núti kvapky správať sa na lotosovom liste práve takto? Je to mimoriadna hydrofóbnosť (vodoodpudivosť) povrchu týchto listov. A odkiaľ sa berie táto superhydrofóbnosť? Zásadný krok k porozumeniu tejto vlastnosti urobil v 70. rokoch nemecký botanik Wilhelm Barthlott, ktorý skúmal rastliny pod rastrovacím elektrónovým mikroskopom. Pri lotose očakával takmer dokonalý hladký povrch, namiesto toho uvidel povrch drsný, pričom tá drsnosť bola tvorené pravidelnými kopčekmi, ktorých výška sa pohybovala na úrovni desiatok mikrometrov.

To však ešte nebolo všetko. Postupné zdokonaľovanie mikroskopov odhalilo ďalšie detaily, z ktorých najdôležitejším bola chlpatosť spomínaných kopčekov. Veľkosť chĺpkov sa pohybovala na úrovni stoviek nanometrov. Práve hierarchická mikro- a nanoštruktúra vedú podľa Barthlotta (a mnohých iných) k samočistiacej schopnosti lotosového kvetu.

Nuž, ale ak je to tak, potom by sme mali byť schopní prírodu napodobniť a vyrábať podobné povrchy umelo. A znova sme vo fáze ustavičného experimentovania a hľadania optimálnych riešení. Barthlott si v 90. rokoch založil spoločnosť Lotus-Effect, ktorá sa venuje vývoju priemyselne využiteľných samočistiacich povrchov.

Hierarchickú štruktúru na mikro- a nanoúrovni využíva aj korčuliarka obyčajná, čo je šikovná bzdocha, ktorá vie chodiť po vode suchou nohou. Na svedomí to má práve jej noha, ktorá je v niečom rovnaká a v niečom opačná ako lotosový list.

Rovnaké je to, že v obidvoch prípadoch ukazuje rastrovací elektrónový mikroskop dve úrovne – jednu chlpatú a druhú pravidelne drsnú. Rozdiel je v tom, že kým lotos má drsnú mikroštruktúru a chlpatú nanoštruktúru, korčuliarka to má naopak. Jej noha je pokrytá chĺpkami dlhými desiatky mikrometrov a širokými niekoľko mikrometrov. Pozdĺž týchto chĺpkov má pravidelné žliabky s hĺbkou a šírkou na úrovni stoviek nanometrov.

V prípade lotosového kvetu aj v prípade korčuliarky zabezpečuje takáto hierarchická štruktúra prítomnosť vzduchu medzi povrchom a vodou, a tento vzduch hrá kľúčovú úlohu v celkovej hydrofóbnosti povrchu. V prípade korčuliarky to funguje až tak účinne, že jej noha sa prakticky vôbec nedostane do kontaktu s vodou, aj keď je v nej úplne ponorená.

Nuž, a toto je znovu vlastnosť, ktorá priam volá po napodobení. V laboratóriách v rôznych častiach sveta sa ľudia snažia vytvoriť povrchy inšpirované nohou korčuliarky obyčajnej. Zo všetkých príkladov vyberme aspoň jeden – v roku 2007  vyrobili v spomínanej spoločnosti Lotus-Effect látku (textíliu), ktorá ostala celkom suchá aj po niekoľko dní trvajúcom ponorení do vody. Podobne ako noha korčuliarky si totiž dokázala vďaka hierarchickej mikro- a nanoštruktúre udržať okolo seba tenký film vzduchu, ktorý zabránil priamemu kontaktu s vodou.

Bzdocha, pravdaže, nie je príliš ťažké zvieratko, takže mnohých z nás až tak neprekvapuje, že sa udrží na hladine. V skutočnosti je to však veľmi netriviálne a riešenie, ktorým evolúcia vyzbrojila korčuliarku, je veľmi efektné a efektívne (ešte aj pri 60-násobnej hmotnosti by korčuliarka dokázala stáť na vode). Napriek tomu je celkom ľahko možné, že malá hmotnosť bzdochy kazí celkový umelecký dojem z jej výkonu. Pri chodení dolu hlavou preto nebudeme hovoriť o muchách, ale o oveľa ťažších gekónoch. 

Gekóny sú jašterice, ktoré vedia – podobne ako muchy či pavúky – chodiť po skle nielen vo vertikálnom smere, ale aj dolu hlavou. Dokážu to vďaka hierarchickej štruktúre brušiek svojich prštekov. Tieto brušká majú lamelovitú štruktúru na úrovni desatín milimetra, na koncoch týchto lamiel sú chĺpky dlhé niekoľko desiatok mikrometrov a tieto chĺpky sa na svojich koncoch rozvetvujú na ešte menšie chĺpky dlhé stovky nanometrov.

O chlpatých veciach sa väčšinou domnievame, že nedokážu dobre priľnúť k iným povrchom, pretože im v tom tie chlpy bránia. U gekónov je to presne naopak – hierarchická štruktúra chĺpkov im umožňuje veľmi silné priľnutie k drsným aj hladkým látkam. Lamely sa poukladajú okolo nerovností na milimetrovej úrovni, mikrochĺpky sa poukladajú okolo rádovo menších nerovností a nanochĺpky sa pozdĺžne priložia tesne k povrchu. Kľúčové slovo je slovo „tesne“.

Pri naozaj tesnom dotyku totiž začnú pôsobiť takzvané van der Waalsove sily. Ide o elektrické sily medzi dvoma elektricky neutrálnymi molekulami s nerovnomerne rozloženým nábojom. Tieto sily sú pomerne veľké na malých vzdialenostiach, so zväčšujúcou sa vzdialenosťou prudko slabnú. Tesný dotyk znamená nezanedbateľné van der Waalsove sily a tesný dotyk obrovského množstva drobulinkých chĺpkov znamená veľkú celkovú silu, ktorá gekóna udrží na ľubovoľnom povrchu v ľubovoľnej polohe.

Geniálne na tom riešení je, že nepotrebuje nijaké lepidlo, vytvára veľkú silu a zároveň sa celkom ľahko odliepa. Ak totiž neodliepame naraz celý chĺpok, ale len jeho koniec, prekonávame van der Waalsove sily len na tomto konci, a to ide oveľa jednoduchšie. Presne to robí gekón, keď kráča – postupne odliepa jednotlivé mikrochĺpky od jedného konca k druhému. O tom, že tento princíp dokázali ľudia využiť na výrobu lepiacich pások, ktoré silno držia, ľahko sa odstraňujú a nezanechávajú nijaké stopy, hádam ani netreba hovoriť. 

Tak veru, všeličo sa dokážeme naučiť od bodliakov, lotosov, bzdôch a jašteričiek. V ďalších článkoch tejto série si povieme, čo sa dá naučiť od lastúrnikov, pavúkov alebo arktických rýb. Je toho pomerne veľa.