Насекомоядная лиана непентес натолкнула физиков на идею

Цветок вывел ученых из кризиса

Обычное комнатное растение иногда может подсказать человеку оригинальное решение проблемы. Именно это произошло в одной из лабораторий Гарвардского университета. Физики, глядя на роскошные ловчие кувшинчики насекомоядной лианы под названием непентес, придумали, как создать идеальную самоочищающуюся пленку, к которой не прилипает никакая грязь.

Фото: Фото: AP

Почему люди любят держать в квартирах и офисах различные растения? Многие скажут: потому что они очищают воздух и поднимают настроение. Однако дело не только в этом — иногда наши зеленые друзья могут подсказать наиболее эффективный способ решения какой-нибудь проблемы. Как, например, это случилось в одной из лабораторий Гарвардского университета (США).

Началось все с того, что группа физиков под руководством Джоанны Айзенберг занялась исследованием так называемых самоочищающихся поверхностей. Речь идет о таких поверхностях, к которым не прилипают капли воды, и, соответственно, растворенные в них вещества. Как правило, все такие субстанции обладают каким-то гидрофобным веществом, которое просто отталкивает воду и мешает ей закрепиться на субстрате. Ну, а раз вода просто стекает с подобной поверхности, то и всю "грязь", что она приносит, тоже забирает с собой.

Разработка и производство подобных пленок являются весьма актуальной в наше время — особенно после серии "ледяных дождей", прошедших зимой прошлого года в разных частях Земли. Кроме того, подобная конструкция могла бы решить и ряд более насущных вопросов — покрытые ей автомобили вряд ли бы загрязнялись каждую секунду, корабли с таким покрытием могли бы увеличить скорость передвижения, жители города, где этой пленкой покрыты тротуары, навсегда бы забыли о гололеде и т. п. Однако, кроме гидрофобности, эта поверхность должна еще уметь легко противостоять деформации — то есть выдерживать различное давление без ущерба для себя, а также сгибаться в любую сторону, оставаясь целой.

Испробовав ряд материалов и потерпев серию неудач, ученые вдруг обратили внимание на комнатные растения, стоящие в их лаборатории, а именно — на непентесы (Nepenthes). Эти крупные тропические лианы с большими листьями и причудливыми цветами принадлежат к группе насекомоядных растений. На концах их листьев находятся своеобразные кувшинчики для ловли насекомых, несколько напоминающие необычный яркий цветок, на дне которого находятся нектарные железы. Насекомые, привлеченные душистым запахом и яркой расцветкой, садятся на стенки этих ловушек, после чего происходит следующее.

Так как внутренняя поверхность стенки абсолютно гладкая, то несчастные жертвы скатываются на дно кувшинчика, где попадают в выделяемую коварным растением клейкую жидкость, которая содержит пищеварительные ферменты. В итоге насекомое быстро переваривается, и растения получают дополнительные азотосодержащие вещества, которых в тропических лесах очень и очень мало. Кстати, в научных учреждениях непентесы культивируют еще и потому, что они эффективно избавляют ученых от надоедливых мух и комаров.

Читайте также: Номер люкс для летучих мышей

Так вот, когда физики наблюдали, как ловко непентес расправляется с мошкарой, им пришла в голову одна идея — не является ли внутренняя поверхность кувшинчика той самой самоочищающейся пленкой? Они исследовали ее структуру, а также химический состав и выяснили, что стенки этой ловушки представляют собой пористую поверхность, которая заполнена особой смазкой. Данная смазка, что любопытно, отталкиваетнетолько воду, но и жировые вещества, при помощи которых насекомые прикрепляются к "обычной" поверхности. Неудивительно, что шестиногие летуны никак не могут закрепиться на подобной стенке — у них просто нет никакого шанса приклеиться.

Фото: AP

Далее ученые провели серию экспериментов, в которых попытались загрязнить внутреннюю поверхность кувшинчика самыми разными видами "грязи", в том числе и такой, которая состоит из достаточно крупных частиц. Каково же было их удивление, когда они увидели, что к этой поверхности не пристает практически ничего, в том числе и металлические стружки, песок, клейкая резина и т. п. Впрочем, по идее, этого и следовало ожидать — ведь если внутренняя стенка ловушки станет грязной, то насекомые получат пусть маленький, но все-таки шанс выбраться из кувшинчика. А растение не может позволить себе такой роскоши, так что именно поэтому в процессе эволюции оно и обзавелось подобной универсальной самоочищающейся поверхностью.

Убедившись, что найдено именно то, что нужно, исследователи изготовили пленку из пористого материала на основе нановолокон эпоксидной смолы и нанесли на ее поверхность смазку из фторуглеродных органических соединений. Смазка именно такого химического состава была выбрана потому, что давно было известно о ее способности не смешиваться с различными жидкостями. Затем провели контрольный эксперимент — поместили на пленку со смазкой несколько капель различных жидкостей, таких как вода, растительное масло, кровь, бензин, а также некоторые растворы, содержащие крупные твердые частицы.

В результате, выяснилось, что этот "искусственный непентес" полностью "унаследовал" способности оригинала — пленка отталкивала любую жидкость и раствор, оставаясь идеально чистой. Для этого было достаточно приподнять конструкцию всего на пять градусов. Интересно, что к данной поверхности абсолютно не прилипали и твердые частицы, помещенные на пленку в сухом виде. При этом отталкивающие свойства поверхности пленки не зависели от того, деформирована ли она после сгибания и разгибания — ученые несколько раз буквально "скручивали в бараний рог" данную конструкцию, но она продолжала оставаться самоочищающейся. Более того, исследование поверхности под микроскопом также показало, что на ней просто не может быть неровностей, заусенцев и микровпадин.

"Даже если поцарапать пленку при помощи ножа или другого острого предмета, первозданная гладкость поверхности автоматически восстановится, причем практически мгновенно и без потери водоотталкивающих свойств", — пояснил один из участников исследовательской группы Так-Син Вон. Выходит, что пленка способна выдерживать сильное давление и все равно оставаться идеальной самоочищающейся поверхностью. То есть ученые, наконец-то, нашли то, что им было нужно.

Интересно, что подобный эффект, который называется "эффектом лотоса", свойственен листьям многих растений (а ведь кувшинчики для ловли насекомых — это не что иное, как видоизмененные листья). Однако вряд ли бы ученые вспомнили про него, если бы на подоконниках их лаборатории не стояли горшки с непентесами. Получается, что иногда и растение может подсказать человеку оригинальное решение проблемы. Хоть оно и совсем не умеет говорить…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"