Az emberiséget régóta foglalkoztatja és nyűgözi le, hogy mi lehet a titka a hüllők e sajátos csoportjának. Talán az első írásos említése a gekkók különleges képességének Arisztotelésztől származhat, aki Historia Animalium című munkájában írja, hogy: „A harkály … képes fel-alá rohangálni a fán bármilyen irányban még fejjel lefelé is, akárcsak a gekkó-gyík”.
Lamellák finom sörtékkel
A tudományos társadalom is felfigyelt a gekkók különleges képességére és kezdetben a biológusok próbáltak magyarázatot adni a jelenségre. Különösebb nagyító alkalmazása nélkül, pusztán szemrevételezéssel és kézi tapintással látni és érezni lehet, hogy a gekkók talpán valamiféle strukturális kialakítás van jelen. Az első komolyabb tudományos publikáció, amely részleteiben vizsgálta a gekkók talpszerkezetét, 1934-ben jelent meg. Ezt követően több folyóiratcikk is közölt új eredményeket, de az igazi áttörést az elektronmikroszkóp feltalálása és gyakorlati alkalmazása jelentette, melynek segítségével nagy felbontású képeket lehetett készíteni a gekkók talpának szerkezetéről is. Az első felvételeket 1967-ben publikálták német nyelven, a Naturwissenschaften folyóiratban. A számos új felvételnek köszönhetően most már tényszerűen ismert, hogy a gekkók talpa lamellás szerkezetű finom, setae-nek nevezett sörtékből áll, melyek hossza néhány 10 mikrométer, vastagságuk pedig csak néhány mikrométer. Az eleve kicsiny sörték vége további finomabb sörtés struktúrákra (szakszóval a spatulae-ra) bomlik fel, melyek hozzávetőlegesen 200 nanométer átmérőjűek (vagyis körülbelül 250-szer kisebbek, mint az emberi hajszál átmérője) és ellapított végződésűek.
De miért is képes jól tapadni ez a sajátos szerkezeti kialakítás? Mielőtt rátérnénk a kérdés megválaszolására, tegyünk egy kitérőt, és vizsgáljuk meg a ragasztók és a gekkók tapadása közötti főbb különbségeket! A ragasztók meghatározó szerepet töltenek be a mérnöki gyakorlatban és a hétköznapi életben egyaránt. Alkalmazási céljuk rendkívül egyszerű: két tárgyat összekapcsolnak, összeragasztanak. Ezt a célt természetesen elérhetnénk akár alakzáró mechanikai megoldással (például csavarozással) vagy bizonyos esetekben akár hegesztéssel is. De a ragasztásnak van egy kedvező mechanikai tulajdonsága: egyenletesebb feszültségeloszlást képes biztosítani a kapcsolódó felületek mentén, ezáltal csökkenti a nemkívánatos feszültségkoncentrációt. A ragasztás technikája a legmodernebb mérnöki anyagokban is jelen van, gondoljunk csak a szálerősített kompozitokra.
Fölényben a ragasztókkal szemben
Térjünk rá néhány fontosabb mérnöki megfigyelésre a gekkók tapadása kapcsán! A legfeltűnőbb minden bizonnyal az erős tapadási képességük akár sima (például üveglap) és akár érdes (például téglafal) felületekhez is. Fontos kihangsúlyozni, hogy a mindennapi használatban alkalmazott ragasztók rendszerint kémiai kötéseket is használnak, esetleg alakzáró mechanikai kötéseket. A kötés erősítéséhez sok esetben a felület tisztítása és akár szándékos érdesítése szükséges. Gekkók esetén erre nincs szükség. A tapadás a gekkóujjak esetében alig függ a felület kémia tulajdonságaitól. A hétköznapi ragasztókkal dolgozva azonban nem mindegy, hogy azokat milyen kémiai tulajdonságú felülethez szeretnénk használni, hiszen külön léteznek például fémekhez, műanyagokhoz és fa alapanyagokhoz gyártott ragasztók. A ragasztószalagok ragadása rohamosan csökken, ha újra felhasználjuk azokat. Elég csak néhány ragasztás, majd elválasztás, és máris drasztikusan veszít a tapadási képességéből. Ellenben a gekkók mászásuk során többezerszer tapadnak a felülethez, majd elvállnak tőle anélkül, hogy számottevően veszítenének tapadási képességükből.
A különböző por és szennyeződések könnyedén tapadnak a ragasztószalagokhoz, ezáltal csökkentve azok tapadási képességét. A gekkók lábán lévő struktúrákra ez nem jellemző, mivel az általuk alkalmazott megoldás „öntisztító” jellegű.
A valamilyen kémia kötés elvén működő legtöbb ragasztó után a szétválasztás során ragasztóanyag marad hátra a felületen. Gekkók esetén ez nem figyelhető meg, bár egy friss tanulmány szerint a gekkók lábnyomai is érzékelhetők hátrahagyott lipidek formájában, de ennek közvetlen kapcsolata a tapadás jelenségére még nem feltérképezett. Lényeges tulajdonsága a gekkóknak, hogy képesek irányfüggő tapadást alkalmazni, vagyis elérni azt, hogy az egyik irányban jól tapadjanak, míg a másik irányban könnyen elváljanak a különböző felületeken.
Vonzások és taszítások
A gekkók tapadása rendkívül összetett fizikai jelenség, melynek legfontosabb eleme a mechanikai érintkezési folyamat, amelyet szétbonthatunk statikus (nyugvó) és dinamikus (mozgásbeli) kontakt feladatra. Statikus esetben (tapadásnál) a különböző vonzó és taszító erők együttese határozza meg az eredő adhéziós erőt, amely összetartja a két érintkező felületet. Vonzó erő keletkezhet például van der Waals-féle erőkből, elektrosztatikus erőkből és mágneses erőkből, kapillaritásból vagy akár gravitációból is. Taszító erő keletkezhet elektrosztatikus vagy mágneses taszításból, felületek deformációja miatt kialakuló erőkből stb. Kijelenthetjük, hogy két felület akkor tapad egymáshoz, ha nagyobb a vonzó jellegű erők összessége, mint a taszító jellegű erők eredője. Tapadás esetén külön erőhatást kell alkalmaznunk, ha szét szeretnénk választani a felületeket.
A gekkókon végzett kísérletek felfedték, hogy tapadásuknak fő oka a van der Waals-féle erőhatásokban rejlik, és nem használnak semmiféle folyadékot a tapadás biztosításához. Voltak kutatók, akik feltételezték, hogy valamiféle vákuumhatás is jelen lehet, de később a vákuumban végzett kísérletek bebizonyították, hogy ennek sincs szerepe a tapadásban. A gekkók talpán lévő hierarchikus szerkezet segít abban, hogy mind a sima felület, mind az érdes felület esetén a sörtés végződések olyan közel tudjanak kerülni a falhoz, hogy fellépjenek a van der Waals-féle erőhatások és a rengeteg kialakított kapcsolatnak köszönhetően összességében kellően nagy adhéziós erőt képezzenek. „Az egymástól a kémiai kötés távolságánál távolabb lévő molekulák kölcsönhatását összefoglalóan van der Waals-kölcsönhatásnak, más megfogalmazásban van der Waals-féle erőknek nevezik” – fogalmazza meg tömören a tudomány ezt a fizikai törvényszerűséget. A hatás akkor jelentős, ha nagyon kicsik a távolságok az érintkező testek között. Vagyis az érintkező felületeket nagyon közel kell egymáshoz helyezni annak érdekében, hogy fellépjen ilyen jellegű erőhatás. Egy sörte ereje A Nature folyóirat 2000-ben közölt egy tanulmányt, amelynek szerzői kísérleti úton kimérték a gekkók talpánlévő 1 darab sörte tapadása során fellépő adhéziós erőt. Az így kapott eredményt felszorozták a hozzávetőleges sörte darabszámával és ezáltal kaptak egy becslést arra az esetre, ha mindegyik sörte tökéletesen érintkezik a felülettel. A kontakt mechanikai modellezés során ismert jelenség, hogy több kisebb kontaktfelület során keletkező eredő adhéziós erő nagyobb, mintha az azonos területű érintkező felület egy összefüggő felület mentén érintkezne. Vagyis, ha növeljük az elemi szálak darabszámát, akkor ezzel nagyobb adhéziós erőt biztosíthatunk. Talán ez magyarázza azt, hogy legtöbb esetben a nagyobb tömegű állatok esetén az érintkező struktúrák mérete csökken.
Az elmúlt évek technológiai újdonságai lehetővé tették, hogy a kutatók mesterséges struktúrákkal próbálják leutánozni a gekkók tapadási képességét. A gyártási technológiák fejlődésének köszönhetően egyre kisebb méretű mikro- és nanostruktúrák hozhatók létre az egészen összetett geometriák esetén is (ábránk példája is egy ilyen mesterséges struktúrát mutat be). Továbbá az új adhéziós elméletek és modellezési technikák is segítenek egyre jobban megérteni az egyes tényezők tényleges szerepét az adhézió során. Egyre több kutató foglalkozik a mesterséges struktúrák gyártási technológiáinak korszerűsítésével, valamint az új mechanikai modellezési elméletek bevezetésével és azok numerikus szimulációival. Érdemes megjegyezni, hogy az Európai Kutatási Tanács (European Research Council; ERC) 2014-ben Advanced Grant támogatást biztosított az Engineering of biomimetic surfaces: Switchable micropatterns for controlled adhesion and touch című pályázatra, ahol a németországi Leibniz Intézet kutatói többek között a gekkók tapadási mechanizmusával foglalkoztak. A támogatás összege közel 2,5 millió euró volt. A gekkók tapadásával kapcsolatos kutatások a Műegyetemen is jelen vannak. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Karán a Műszaki Mechanikai Tanszéken NKFIH- és ÚNKP-t támogatás is ösztönzi az ez irányú kutatási tevékenységet.
Forrás: Élet és Tudomány