La scoperta di strani peli di ragno potrebbe aver ispirato adesivi potenti, ma reversibili
Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) delle basi adesive dei capelli prima del piede (cioè nella parte inferiore dello stelo). (A) A sinistra ci sono i fusti dei capelli del filamento appiccicoso più vicini all’esoscheletro. Una volta inserito, il fusto del capello diventa più sottile e incontra e aderisce a una struttura a forma di spina sull’esoscheletro. (b) Ingrandimento aggiuntivo della stessa area: l’asterisco indica il punto focale in cui i capelli possono curvarsi verso l’alto. Distale contro prossimale qui significa allontanarsi dall’opposto dell’artiglio sulla punta dello stelo. Credito: B Poerschke, S. N. Gorb e F Schaber
Gli ingegneri hanno ammirato la grande versatilità funzionale dei peli delle zampe del ragno.
Come fanno i ragni a camminare dritti – e persino a testa in giù – su diversi tipi di superfici? La risposta a questa domanda potrebbe aprire nuove opportunità per la creazione di adesivi resistenti, ma reversibili, di ispirazione biologica. Gli scienziati hanno lavorato per capire meglio i piedi di ragno negli ultimi decenni. Ora, un nuovo studio in Frontiere nell’ingegneria meccanica Fu il primo a dimostrare che le proprietà delle strutture simili a peli che compongono le gambe appiccicose di una specie: il ragno errante Copenius Sally Più vario di quanto si pensasse.
Immagini SEM della microstruttura dei peli appiccicosi (‘setae’). (a) Vista laterale che mostra il fusto del capello fino a 1,8 mm di lunghezza (non mostrato in tutta la sua lunghezza) e l’area della punta coperta da “microcapelli” (strutture simili a microcapelli su peli corretti). (b) Vista dall’alto di una “scopola pad” (un grosso ciuffo di capelli) sul lato inferiore dei neonati prematuri. L’area della punta è ricoperta da peli fini a forma di cucchiaio che si attaccano al substrato mentre si cammina. (C) Immagine a maggiore ingrandimento di una fetta di micro-capelli a forma di cucchiaio. Credito: B Poerschke, S. N. Gorb e F Schaber
“Quando abbiamo iniziato gli esperimenti, ci aspettavamo di trovare un angolo specifico di migliore adesione e proprietà adesive simili per tutti i singoli filamenti di attacco”, afferma il leader del gruppo di studio, il dott. Clemens Schaper dell’Università di Kiel in Germania. “Ma sorprendentemente, le forze di adesione differivano notevolmente tra i singoli peli, ad esempio, un capello aderisce meglio a un’angolazione bassa rispetto al substrato, mentre l’altro capello vicino alla verticale ha prestazioni migliori”.
I piedi di questa specie di ragno sono costituiti da circa 2.400 minuscoli peli, o “peli” (un centesimo di millimetro). Schaper e i colleghi Bastian Borschke e Stanislav Sock hanno raccolto un campione di queste setole e poi hanno misurato quanto bene aderivano a una serie di superfici ruvide e lisce, compreso il vetro. Hanno anche guardato come i capelli si sono comportati bene da diversi angoli di contatto.
Diversi tipi di capelli lavorano insieme
Inaspettatamente, ogni capello mostrava proprietà adesive uniche. Quando il team ha esaminato i peli con un potente microscopio, ha anche scoperto che ognuno mostrava disposizioni scheletriche diverse e precedentemente non riconosciute. Il team ritiene che questa diversità possa essere la chiave del modo in cui i ragni si arrampicano su molti tipi di superfici.
Il presente lavoro ha esaminato solo un piccolo numero delle migliaia di peli su ciascun piede e va oltre la portata delle risorse disponibili per considerare di studiarli tutti. Ma il team si aspetta che non tutti i capelli saranno unici e che potrebbe essere possibile trovare invece gruppi o modelli ripetuti.
Le applicazioni bioispirate sono possibili
“Sebbene le nanostrutture come quelle in un ragno siano ancora molto difficili da fabbricare, soprattutto per la stabilità e l’affidabilità dei materiali naturali, i nostri risultati potrebbero migliorare ulteriormente i modelli esistenti di adesivi sintetici reversibili e privi di residui”, afferma Schaper. “Il principio delle diverse forme e l’allineamento dei contatti adesivi come si trova nel sistema di fissaggio del ragno può migliorare la capacità di attacco dei materiali ispirati biologicamente a un’ampia gamma di substrati con proprietà diverse”.
(a) La superficie rivolta verso il basso della ciocca di capelli attorno agli artigli sui neonati prematuri (gli asterischi bianchi indicano due lobi della ciocca di capelli), che è composta da migliaia di setole fitte. Le frecce indicano l’artiglio. (B) Vista laterale di un ciuffo di capelli su un ciuffo attaccato a un vetrino. (C) Vista ingrandita del rettangolo nel secondo pannello. Nota come le estremità dei capelli si sono piegate. Credito: B Poerschke, S. N. Gorb e F Schaber
Riferimento: “Adesione del gruppo a gomito singolo del ragno Copnius sally a substrati di diversa rugosità e diversa energia superficiale” di Bastian Borschke, Stanislav N. Gorb e Clemens F. Schapir, 11 giugno 2021, disponibile qui. Frontiere nell’ingegneria meccanica.
DOI: 10.3389 / fmech.2021.702297
