Nakkuvus on eluslooduses oluline: putukas ronib vajadusel seinapidi söögi järele, ronitaim kobab valgusesse ning üksikud rakud kinnituvad hulkrakseteks. Paljud kinnitusmehhanismid ja organid on seejuures seenekübara kujuga. Kieli Ülikooli Lars Heepe juhitud töörühm avastas, miks nimetatud geomeetria nakkuvust soosib. Võtmesõnaks on pindadevahelise rõhu homogeenne jaotus. Tööd kajastav artikkel avaldati mainekas teadusajakirjas Physical Review Letters.
Vasakul on isase lehepõrnika jalgade elektronmikroskoobi pilt. Paremal eelmainitust indu saanud gekoteip.
Mida karedamad pinnad on, seda paremini need haakuvad. Ent nakkumiseks on oluline ka kareduse mikrostruktuur ehk kontaktgeomeetria. Looduses on seenekübara kuju meenutav nakkepea, ehk nakkuva pinna väikseim funktsionaalne osis, edukas. See arenes eraldiseisvalt ning mitmekesiselt nii maal kui vees – nii nano, mikro kui makromõõtudes. Mõned suurusjärkudele vastavad näited: pindkinnituv bakter Caulobacter crescentus, seenekübara kujuliste jalaharjastega lehemardikas ning metsviinapuu Parthenocissus quinquefolia. „Kirjeldatav kinnitumisviis arenes organismidel eraldiseisvalt. See on vahest märk evolutsiooni optimeerivast toimest,“ ütles tööga seotud Kieli Ülikooli Zooloogia Instituudi bioloog Stanislav Gorb.
Esialgu oli ebaselge, millised täpselt on seenekübara nakkepea eelised võrreldes teistsuguste, näiteks konstantse läbilõikega nakkepeadega. Probleemi võtsid käsile rakendusfüüsik Lars Heepe, biofüüsik Alexander Kovalev, teoreetiline füüsik Alexander Filippov ning bioloog Stanislav Grob. Töörühm keskendus esmalt nn. gekoteibi uurimisele, mis arendati varem Kieli Ülikooli ning erafirma Gottlieb Binder GmbH & Co. KG koostöös. Teibi tarvis saadi inspiratsiooni lehepõrnikalt ning gekosisalikult. Gekoteip kinnitub koguni märjale ja libedale pinnale. Lisaks saab seda korduvkasutada ilma, et alusele kleepetööst märki jääks.
Kahe erineva mikrostruktuuriga nakkepea eraldusprotsess. Globaalselt on eraldumispinna tekkimine sarnane, mikrotasandil aga sootuks erinev. Heledad mullikesed tähistavad pindade eraldumise ulatust. Mida tumedam mullike, seda tugevam jõud antud punktides pindasid koos hoiab. a) Silinderja läbilõikega kleepriba eraldumine algab silindri servast, sest ühenduspinna rõhujaotus pole homogeenne. b) Kübar-nakkepea õhuke kontaktpind tagab seevastu homogeense rõhujaotuse ning hoiab materjale tugevamini koos.
„Uurisime erinevate kübar-mikrostruktuuride eraldumist aluse küljest. Tegime seda parima võimaliku ruumilise ja ajalise lahutusega,“ seletas Heepe. Nakkumist pildistati 180000 kaadrit sekundis. „Avastasime, et pindade eraldumine, alates kontaktala esimesest tekkinud defektist, vältab vaid paar mikrosekundit.“ Nake võib katkeda kiirusega kuni 12 m/s. „Antud topoloogiaga saab sedavõrd suur eraldumiskiirus tekkida vaid siis, kui kontaktalas on homogeenne rõhujaotus,“ ütles Heepe. Mida homogeensem kontaktpinna rõhujaotus on, seda rohkem saab sellesse salvestada elastset pinget. Mida rohkem elastset pinget, seda kiirem on eraldumine – nagu kokku surutud vedru vabastamiselgi. Teistsuguste, näiteks silinderja läbilõikega nakkepeade korral katkes ühendus servast. Õhukese kübar-nakkepea eraldumine aga algab pea keskelt – nagu üritaks tõmmata iminapaga nagi seinast lahti otse, normaali sihis, mitte servast kangutades. Suur pingutus tähendab head naket.
„Avasime oma eksperimentidega looduses eduka nakkemehhanismi olulisi mehaanilisi tahke,“ võttis Heepe kokku Kieli Ülikooli meeskonna töö, mis sobitub hästi hiljuti avaldatud Itaalia teadlaste teoreetilise mudeliga.
a)-c) Kolme erineva kübar-nakkepea ja klaasi kontaktpinna pildid. d) – f) Vastavate pindade eraldumise mehaaniliste pingete kontuurpildid. Esmalt eraldusid sinised alad. g) – i) Värvkodeeritud pildid eraldumiskiiruse lokaalsetest jaotustest.
Kielis tehtu põhjal saab liimivabasid kleeppindasid edasi arendada. Kasu saavad ka Collaborative Research Centre 667 teadlased, kelle eesmärk on valmistada kleeppind, mille nakkuvust saab kindla lainepikkusega valgussignaaliga sisse-välja lülitada.
Allikas: Phys.org