СЕМЬ ИСКУССТВ

Образование пузырей — это не единичное событие, а сложный процесс, на который влияет совокупность факторов, таких как скорость удара, интенсивность турбулентности воды и поверхностное натяжение. Причем механизм образования пузырей при падении струи жидкости, в самом общем случае, зависит от того, падает ли она в виде капель или льется непрерывной струей.

Феликс Симоновский-Кукуй

УЧИТЬСЯ У ПРИРОДЫ

Предисловие

Все более усложняющийся язык научных статей не позволяет обычным людям самостоятельно разобраться во многих интересующих их вопросах и явлениях. Вот некоторые из вопросов, которые часто задавали автору в повседневных разговорах.

• Почему ящерицы бегают по стенам и не падают вниз?
• Что позволяет дельфинам двигаться со скоростью, не доступной морским судам?
• Могут ли кровеносные сосуды прорастать в инородное тело?
• Почему некоторые материалы остаются липкими в водной среде?
• Почему при падении капель дождя на лужах образуются пузыри?
• Как сделать имплант из искусственного материала, который, разлагаясь в теле человека, выводится из него обычным метаболическим путем, не отравляя при этом организм?
• Как сделать материал, через который свободно проходят водяные пары, при этом сохраняя поверхность тела и сам материал сухими?
• Почему поверхность кожи слона предотвращает перегрев от солнца?
• Почему вода является универсальным растворителем, какова её структура и свойства при различных условиях окружающей среды, а также в теле человека и животных?
• Какова структура внутренней поверхности кровеносных сосудов, почему на ней происходит осаждение компонентов крови, вызывая, в частности, тромбообразование, и как предотвратить этот процесс?

В научной литературе широко описаны эти и множество других явлений и свойств, природа некоторых из них уже понятна, и её можно объяснить доступным языком, другие продолжают быть объектом исследований. В этом очерке автор не стремился ответить на все упомянутые выше вопросы. Здесь будут приведены лишь некоторые примеры явлений, уже имеющих научное объяснение, и возможные технические решения на их основе. Также будут приведены идеи, которые до настоящего времени являются предметом исследований, но еще не воплощены в технике, хотя могут быть использованы в будущем, например, при создании специальных материалов. В статье использована информация из научных разработок, в которых автор принимал непосредственное участие, а также информация, приведенная в открытых источниках, включая специальные научные монографии и статьи по конкретным темам.

В этом очерке будет объяснена природа некоторых явлений, позволяющих реализовать уникальные свойства материалов, созданных природой, либо разработанных в лаборатории с помощью применения принципов, заложенных природой. В этом аспекте цель химика-синтетика, коим является автор, — это разработка материалов с требуемыми свойствами, которые копируют свойства соединений, существующих в природе, или композиций, имеющих уникальный комплекс свойств. При этом, хотя полностью повторить природу зачастую практически невозможно, применение специфических научно-технических подходов весьма продуктивно при разработке новых материалов и технологий.

Почему дельфины передвигаются быстрее морских судов

Остановимся на проблеме, давно возникшей и существующей поныне: как увеличить скорость движения морских судов и подводных лодок. Известно, что скорость судов, двигающихся в воде, определяется профилем их формы, мощностью двигателя, а также гладкостью поверхности подводной части судна, от которой зависит трение в прилегающем водном слое. Указанные факторы определяют степень и форму турбулентности водяного потока на поверхности подводной части судна при его движении, что может являться причиной торможения.

Для решения этой проблемы ученые обратили внимание на механизм передвижения в воде быстро плавающих морских животных. Для примера рассмотрим дельфинов, обладающих высокими скоростными качествами. У этих животных есть особенности, способствующие высокой скорости движения: специфичная обтекаемая форма тела, строение плавательных мышц, а также строение мощного хвоста. Помимо этого, у них имеется мощное четырехкамерное сердце, состоящее из двух предсердий и двух желудочков, обеспечивающих полное разделение насыщенной и обедненной кислородом крови, что определяет эффективность его работы.

Отметив эти, более известные особенности физиологии дельфинов, обратим внимание на их кожу. Почему именно эти животные превосходят по скорости передвижения других обитателей морей и океанов? Упрощенный ответ гласит: вследствие уникальных свойств их кожи и, в частности, её поверхности. Эта уникальность заключается в том, что профиль поверхности кожи дельфинов непрерывно меняется, откликаясь на особенности водяных потоков, завихряющихся под влиянием трения о нее, и, тем самым, нейтрализуя турбулентность, определяющую, как отмечалось выше, скорость движения при прочих равных параметрах. В этом состоит принципиальное отличие живой кожи дельфина с её постоянно меняющимся профилем от неизменного профиля металлических поверхностей морских судов и подлодок.

Еще одной, не менее значимой особенностью кожи дельфинов, оказывающей влияние на скоростные качества при движении этих животных в воде, является её способность противодействовать обрастанию морскими организмами. Причиной такого поведения является её структура и свойства. Внешний слой кожи дельфинов имеет специфическую топологию, основным элементом которой является неровный рельеф гребенчатой поверхности с микробороздками. Такой тип поверхности снижает трение в воде и мешает микроорганизмам закрепляться на ней благодаря постоянному обновлению: верхний слой кожи отшелушивается каждые несколько часов, унося с собой прикрепившиеся морские организмы.

Помимо этого, их кожа имеет весьма сложный химический состав, который обуславливает еe уникальные свойства и функции. Ключевыми компонентами этого химического состава являются разнообразные липиды и протеины. Первые обеспечивают гидрофобные (водоотталкивающие) и антибактериальные свойства, а вторые — химическую микроструктуру, в которой аминокислотные группы имеют противоположные электрические заряды (аминогруппа имеет положительный заряд, а карбоксильная группа — отрицательный).

Такие аминокислотные группировки, имеющие биполярную структуру, которая, в целом, может быть электронейтральной, включают в себя так называемый цвиттер-ион, несущий как отрицательный, так и положительный заряды. При высокой скорости движения животного такая специфическая структура кожи важна для реализации противообрастающих свойств ее поверхности.

Отвлечемся на минуту и рассмотрим пример из другой области. Достоверно показано, что внутренняя поверхность кровеносных сосудов, модифицированная полимерными покрытиями, содержащими цвиттер-ионы, в условиях интенсивного кровообращения сохраняет противообрастающие свойства при длительном применении.

Аналогичный механизм актуален и для поверхности морских судов при их движении в воде. Устойчивость такой поверхности к процессу обрастания определяется её способностью противостоять накоплению морских организмов, таких как водоросли и морская слизь, а также различныx видoв ракушек и моллюсков. Эта устойчивость критически важна, поскольку подобное обрастание увеличивает сопротивление движению и, в результате, снижает скорость движущегося судна и увеличивает расход топлива двигателем.

А поскольку высокая устойчивость к обрастанию необходима для оптимальных эксплуатационных характеристик и эффективности судна, то с целью поддержания такой устойчивости подводные поверхности судов обрабатывают различными составами и покрывают полимерными покрытиями, в состав которых входят, в частности, химические группировки, содержащие цвиттер-ионы.

Покрытия, содержащие цвиттер-ионные группы, подобные существующим в коже дельфинов, продемонстрировали эффективные противообрастающие свойства по отношению ко всем типам существующих морских организмов, способных прикрепляться к поверхности судов.

Таким образом, определенные технические решения проблемы обрастания подводных поверхностей судов найдены — в частности — вышеописанным путем. А вот создать искусственные материалы, напоминающие кожу дельфина с присущей ей способностью предотвращать турбулентность прилегающих водяных потоков путем изменения профиля поверхности, насколько известно автору, до сих пор не удалось.

Как ящерицы и насекомые передвигаются по стенам

Многим из вас довелось наблюдать, как ловко ящерицa бегаeт по стенам, доставляя неудобство одним своим присутствием. Но если вы пробовали eе поймать, то не ошибусь, если предположу, что удача мало сопутствовала вашим усилиям. Аналогичной способностью быстро передвигаться по вертикальным поверхностям, не падая под влиянием гравитации, обладают также и многие другие существа в природе.

Что же позволяет им так проворно бегать по стенам, изготовленным из различных материалов, включая стекло с идеально гладкой поверхностью, и покрытым красками различных типов? Что обеспечивает липкость их лап, и каким образом эта липкость мгновенно пропадает, когда надо моментально, в доли секунды, оторвать лапу от поверхности, чтобы перенести её вперед и закрепиться на новом месте, чтобы обеспечить дальнейшее движение?

Исследуя механизмы передвижения вышеупомянутых существ, ученые, в общем, объясняют их сходными химико-физическими принципами, но подробное экспериментальное изучение позволяет обнаружить многочисленные детали этих механизмов, отличающиеся друг от друга.

Пробуя объяснить эти явления простым языком, всё же придется использовать некоторые научные термины, чтобы объяснить природу сил, возникающих между двумя поверхностями. Эти силы обеспечивают эффект адгезии, проявляющейся в возможности сцепления поверхностей.

Кратко остановимся на двух механизмах прилипания. Оба механизма обусловлены различными типами так называемых сил Ван-дер-Ваальса — слабыми межмолекулярными силами взаимодействия — возникающими из-за изменений в распределении электрических зарядов в молекулах соприкасающихся поверхностей. Причем эти изменения естественным образом синхронизируются, создавая притягивающие силы.

Один из механизмов наблюдается у тропических ящериц и лягушек: они прилипают к поверхностям и удерживаются на них с помощью специальных подушечек на пальцах лап, которые содержат особенные клетки, выделяющие водянистую слизь и создающие тонкий слой жидкости между подушечкой и поверхностью. Эта слизь, в сочетании сo структурой поверхности подушечек лап, а также капиллярными силами трения, создаваемыми движением слизи и подушечками, образует прочную, но временную, влажную адгезию, которая позволяет им удерживаться на гладких поверхностях. Животные могут регулировать положение и движение лап таким образом, чтобы увеличивать адгезию и, таким образом, контролировать прикрепление к различным поверхностям.

Более детально это можно объяснить тем, что поскольку молекулы воды полярны, т.е. обладают как положительным, так и отрицательным электрическими зарядами, распределенными неравномерно, они могут притягиваться и удерживаться полярными молекулами, находящимися на поверхности лап этих представителей фауны.

Подтвердить этот механизм помогло исследование, проведенное при изучении процессов, протекающих в полупроводниках. Ученые, изучающие рептилий, проверили, могут ли гекконы прилипать к арсениду галлия, поверхность которого является полярной, и к диоксиду кремния, поверхность которого не является таковой. Лапки ящериц оказались одинаково липкими к обеим поверхностям, что доказывает действие различных типов сил Ван-дер-Ваальса.

Другой механизм связан с возможностью прилипания лап гекконов к сухим поверхностям. Поясним этот механизм. У некоторых видов гекконов под пальцами есть плоские пластинки, состоящие из отдельных маленьких участков, каждый из которых содержит множество тонких волокон. На самом кончике каждого волокна находятся мельчайшие образования, называемые лопаточками, размером около 200 на 20 нанометров (нанометр равен одной миллионной доле миллиметра). На одной лапке находится около 15000 волокон, каждое из которых имеет около 1000 лопаточек, которые и образуют индивидуальное сцепление при контакте с поверхностью, используя иной тип межмолекулярных сил притяжения, действующих на расстоянии нескольких нанометров.

Эти силы создают сцепление между молекулами на поверхности пальцев ног ящерицы с молекулами материала поверхности стены, с которой они соприкасаются. А лопаточки увеличивают площадь поверхности контакта со стеной, создавая достаточную общую силу, чтобы удерживать вес рептилии. Ящерица может контролировать сцепление, сгибая и разгибая пальцы, изменяя угол наклона лопаточек. Это позволяет ей прочно прикрепляться к поверхности, а затем открепляться от неё, разгибая пальцы, эффективно перемещаясь и в отсутствие какой-либо липкой субстанции.

Что касается насекомых, то они используют сочетание физических и адгезионных механизмов, чтобы прикрепляться к стенам. Механизм прикрепления пауков к поверхности стен в чем-то схож с тем, как это происходит у ящериц: y них также имеются микроскопические волоски на лапках, а у некоторых видов — еще и крючкообразные коготки, которые помогают им цепляться даже за такие гладкие поверхности, как у стекла.

У некоторых насекомых на лапках есть липкие подушечки, называемые пульвиллами или аролиями. На этих подушечках имеются крошечные железы, выделяющие особые клейкие секреты, дополнительно способствующие адгезии. Некоторые виды этих биологических секретов содержат смесь неполярных масел и полярных сахаров, другие — смесь полярных жирных кислот и неполярных углеводородов. Эти соединения достаточно липкие, чтобы обеспечить сцепление, но не настолько, чтобы насекомое застряло. Их адгезионные свойства основаны на действии так называемых лондоновских дисперсионных сил, которые являются одним из подвидов вышеупомянутых взаимодействий Ван-дер-Ваальса.

В заключение, приведем пример технологического использования результатов исследований механизмов передвижения рептилий и насекомых по вертикальным поверхностям. Успешное сочетание двух биологических принципов — а именно, моделирование адгезивных свойств пальцев геккона и стиля движения гусениц — позволило разработать гибридную структуру в виде целостного робота, способного к передвижению по вертикальным поверхностям.

Таким образом, использование в материаловедении и инженерии биомеханическиx принципoв помогло в создании специальных движущихся механизмов, применяя для реализации их движения различные технологии, такие как: механическая или электрическая адгезия, магнитные силы, механическая тяга и захват.

Как предотвратить отторжение импланта: Биоматериал, в котором могут прорастать кровеносные сосуды

Идея пересадки живых тканей и органов здорового человека больному существует на протяжении столетий. В истории трансплантологии можно насчитать тысячи попыток таких пересадок. Однако в наше время, когда необходима заменa поврежденных или утративших функцию внутренних органов, но нет возможности использовать донорские, в некоторых случаях применяют метод пересадки органов, созданных из искусственных биоматериалов. Возможность создавать органы индивидуально для каждого пациента может снизить риск отторжения, что в результате позволяет продлить человеческую жизнь.

Тем не менее, риск отторжения остается достаточно большим. Он связан с так называемой “реакцией на инородное тело”, которая заключается в том, что иммунная система организма распознает имплант как чужеродное тело и формирует вокруг него белковую капсулу.

В результате этого процесса, называемого фиброзной инкапсуляцией, образующийся слой на поверхности капсулы подает сигнал иммунной системе организма и изолирует имплант от окружающих тканей, создавая физический барьер слоя клеток, приводящий к потере функций импланта, которые этот имплант должен обеспечивать.

Последние достижения в области биоматериаловедения направлены на разработку имплантов, позволяющих минимизировать или контролировать реакцию на инородное тело путем:

• модификации поверхности импланта изменением структуры белкового слоя
• создания скользящей поверхности, полностью препятствующей адгезии белков
• создания специфических нанотекстур на поверхности импланта, что может влиять на активность иммунных клеток
• покрытия имплантов иммуномодулирующими препаратами или вживлением в импланты подобных соединений
• локальной доставки противовоспалительных препаратов, подавляющих фиброзную инкапсуляцию
• применения препаратoв, стимулирующих рост новых кровеносных сосудов, что улучшает интеграцию ткани с имплантом.

Исследователи также разрабатывают новые материалы для изготовления биоимплантов. К ним относятся биоразлагаемые материалы, которые рассасываются в организме после выполнения своей функции, и имитирующие так называемый матрикс или его особый тип — скаффолд. Такой матрикс, расположенный между клетками, поддерживает их структуру, удерживает их вместе в тканях, обеспечивает механическую поддержку и участвует в транспорте химических веществ.

Скаффолды играют крайне важную роль в регенеративных процессах, так как их функция состоит в поддержании роста клеток. По этой причине необходимо соблюдение некоторых важных требований к физико-химическим свойствам скаффолдов.

Критическим фактором влияния на образование сети кровеносных сосудов, механизм их роста, клеточные взаимодействия, перенос питательных веществ и формирование функциональных тканей является пористость скаффолда. Для оптимального формирования ткани дизайн скаффолда должен учитывать различные параметры, включая состав материала, морфологию структуры, механические свойства и биосовместимость. Особенно надо подчеркнуть важность влияния открытопористой структуры и размера пор на интеграцию клеток и диффузию питательных веществ при формировании тканей в биоинженерии различных органов, что, в конечном итоге, способствует регенерации тканей.

Важно отметить, что исследованиями, проведенными в нашей лаборатории в Университете Вашингтона, имплантированные пористые скаффолды с равномерными взаимосвязанными порами сферической формы с размером пор диаметром около 40 микрон показали наиболее благоприятные результаты заживления и сниженную реакцию на инородное тело, одновременно увеличивая плотность сосудов после имплантации. Хотя движущий механизм этого уникального биологического процесса изучен еще недостаточно, очевидно, что такое поведение связано с благоприятными условиями для прохождения ростa кровеносных сосудов.

Такой размер сферических пор наиболее подходит для процесса роста кровеносных сосудов, вероятно, потому, что именно такие поры обеспечивают достаточную инфильтрацию клеток, участвующих в формировании новых сосудов в каркасe скаффолда. Такое движение клеток способствует регенерации тканей внутри, а не только на поверхности скаффолда, обеспечивая обмен питательными веществами и продуктами обмена и одновременно способствуя межклеточному контакту, необходимому для формирования капилляроподобных структур. При этом, кислород и питательные вещества могут свободно проникать внутрь каркаса, а продукты метаболизма могут быть легко удалены, что критически важно для процесса образования новых клеток посредством деления, а также для их выживания.

Почему при падении капель дождя на лужах образуются пузыри

Образование пузырей — это не единичное событие, а сложный процесс, на который влияет совокупность факторов, таких как скорость удара, интенсивность турбулентности воды и поверхностное натяжение. Причем механизм образования пузырей при падении струи жидкости, в самом общем случае, зависит от того, падает ли она в виде капель или льется непрерывной струей.

Здесь мы ограничимся рассмотрением механизма образования пузырей при падении воды в виде капель на водную поверхность, иными словами — в процессе дождя.

При контакте падающей капли с поверхностью обычно рассматривают два явления, каждое из которых описывается отдельным механизмом. Существует эффект «подпрыгивающей» капли, которая отталкивается от поверхности после первичного столкновения, и эффект капли, «прилипающей» к поверхности после первичного контакта между ними. Эти эффекты и их механизмы зависят от нескольких факторов, таких как:

• природa жидкости, из которой состоит капля, и жидкости, на поверхность которой она падает
• температура жидкости капли и водной поверхности, а также температурa окружающей среды, в которой происходит соприкосновение
• давление окружающей среды
• совместимость химического состава пары капля-жидкость (здесь мы рассмотрим только воду)
• наличие примесей в том и другом элементе этой пары, особенно, поверхностно-активных веществ.

Исследование, проведенное около 10 лет назад, показало, что капля воды, упавшая с достаточно малой высоты, при нормальном атмосферном давлении может отскочить от гидрофильной (водопритягивающей) поверхности, которую она обычно покрывает или смачивает. Тем не менее, через несколько отскоков, происходящих в течение долей секунды, капля окончательно опускается на поверхность и может быть разорвана электростатическими силами самой поверхности. При этом было высказано предположение, что наблюдаемые эффекты, вероятно, связаны как с процессом деформации капли при соприкосновении с поверхностью жидкости, так и с деформацией самой поверхности.

Наличие тонкого амортизирующего слоя воздуха под каплей смягчает её контакт при соприкосновении с поверхностью на последней стадии падения. При ударе капли о поверхность образуется кратер с кольцевой стеной воды, которая движется вверх. Если водоем имеет достаточную глубину, эта стена может отскочить, и её края при этом столкнутся, образуя полость из захваченного воздуха. Таким образом, взаимодействие импульса капли и поверхностного натяжения воды является ключом к процессу образования пузырей на поверхности.

В другом исследовании предлагается модификация вышеприведенного механизма, а именно: падающая капля захватывает воздух из атмосферы, создавая в ней газовый карман, который стабилизируюется поверхностным натяжением, минимизирующим площадь поверхности образующегося пузыря, и разницей между давлением воздуха, захваченного каплей, и давлением окружающего воздуха.

Суммируя вышесказанное, механизм образования пузыря может быть описан следующим образом:

Когда капля падает на водную поверхность, её импульс, отталкивая поверхностную воду, создает временную полость, которая моментально заполняется воздухом из окружающей атмосферы. А достаточная сила сцепления молекул воды (известная как поверхностное натяжение) в отскочившей части воды способствует образованию эластичной водяной пленки и ее последующему сжатию вокруг воздушного кармана. Эта образовавшаяся пленка воды удерживает воздух внутри, образуя пузырь, который остается на поверхности водоема, удерживаемый силой поверхностного натяжения в пленке воды пузыря. И, поскольку воздух менее плотный, чем вода, образовавшийся воздушный пузырь поднимается на поверхность.

Продолжительность жизни и внешний вид пузырей могут зависеть от того, что находится в воде. Соединения, которые действуют как поверхностно-активные вещества, влияют на поверхностное натяжение воды и создают более прочные и устойчивые пузыри. Размер и скорость падения капли определяют энергию её удара о поверхность, которая, в свою очередь, влияет на размер и количество образующихся пузырей.

Как сохранить липкость материала в водной среде

Формирование и поддержание устойчивого соединения поверхностей двух материалов во влажной среде является важным физическим свойством в различных технологических процессах. Такое свойство может быть рассмотрено в двух аспектах: собственной липкости материалов и их клеевого соединения.

Проблема разработки устойчивых клеевых композиций, способных быстро отверждаться в воде, актуальна во многих отраслях промышленности. Не менее важно создание материалов, обладающих липкой поверхностью, сохраняющей свои свойства во влажной среде. Особенно это касается материалов для биомедицинского назначения.

Для начала рассмотрим тему природы липкости с общих позиций. Исследователи используют несколько ключевых стратегий для достижения и поддержания адгезии во влажных условиях, часто имитируя природные организмы, такие как мидии и песчаные черви.

Основной проблемой клеев, способных отверждаться в воде, является их способность к вытеснению слоя воды с подводной поверхности материалов. Молекулы таких клеев содержат в своей цепи гидрофобные (водоотталкивающие) сегменты, которые самоагрегируются при контакте с водой, отталкивая воду с поверхности материала и создавая прямую связь с этой поверхностью. То же касается и собственной липкости материала: чтобы сохранять это свойство в водной среде, такие материалы должны либо отталкивать, либо активно удалять слой молекул воды с погруженных в воду поверхностях.

В главе, где мы обсуждали покрытия, не обрастающие в морской воде, уже была упомянута специфика природы поверхности кожи дельфинов с биологической точки зрения, основным элементом которой является один из видов белков. В данном случае, для создания липких поверхностей имитируют химическую структуру белков, присутствующиx на ногах мидий, которые содержат высокие концентрации другого (в отличие от присутствующего в коже дельфина) вида протеина. Его специфика заключается в том, что одна из его функциональных групп может образовывать прочные связи с различными поверхностями, включая минералы и полимеры, предотвращая преждевременное окисление этих связей.

В рамках конструирования биоинспирированных структур поверхности материалов, улучшающих адгезию во влажной среде за счет использования поверхностного натяжения и создания всасывающего эффекта, созданы синтетические клеи, работающие по принципу, напоминающему присасывающий эффект, свойственный щупальцам осьминогов. Эти поверхности имеют массивы небольших куполообразных микроструктур в виде присосок, которые, удаляя воду при приложении давления, создают вакуум, улучшающий адгезию.

Искусственно созданные клеи, отверждающиеся во влажной среде, — это вещества на основе белков, которые наносятся на соединяемые поверхности в жидком состоянии. Однако, сложная обработка поверхности и дорогостоящие протоколы ограничивают широкое применение этих клеев. Кроме того, они, как правило, являются перманентными клеями, что ограничивает их применение там, где может потребоваться обратимое связывание.

В настоящее время разработаны синтетические клеевые гидрогели, более липкие, чем натуральные биологические клеи. Такие соединения обладают уникальной структурной конфигурацией с выступающими головками в виде микрокрючков. Экспериментальные исследования показывают, что гидрогелевые гибкие адгезивы, набухая в воде, демонстрируют прочную адгезию, основанную на обратимом взаимодействии между массивами микрокрючков, способных к трансформации формы при контакте с водой. При этом, прочность клеевого шва, соединяющего поверхности, во влажном состоянии монотонно увеличивается с течением времени при воздействии воды. Более того, это изменение формы под действием воды обратимо — микроструктура может восстанавливать свою первоначальную форму и размер после высыхания.

Отметим, что в отличие от других способов соединения материалов во влажном состоянии, описанный выше механизм склеивания не требует сложной обработки поверхностей или применения дополнительных химических компонентов. Это позволяет использовать такой простой, но эффективный метод прочной и обратимой адгезии во влажном состоянии, который, к тому же, экономически выгоден. Более того, такой клей не размягчается и не растворяется в воде, что позволяет ему сохранять прочность соединения в течение длительного времени.

Помимо гидрофобного отталкивания слоя воды, применяется метод обмена водорастворимого органического растворителя, в котором растворен клеевой состав. Молекулы такого растворителя обмениваются с молекулами воды, обладающей худшей растворяющей способностью по отношению к используемому клею, что приводит к образованию геля и затвердеванию полимерного клея на поверхности.

Еще один интересный способ, который был предложен недавно, основан на создании контролируемой топологии поверхности склеиваемых материалов. Проведенные исследования показали, что контролируемая шероховатость поверхности мягких материалов повышает адгезию к ним во влажных условиях в результате увеличения силы, необходимой для отрыва клеевого соединения после его нанесения, по сравнению с величиной силы, необходимой для его соединения.

В клеевых технологиях также используются специальные химические составы, повышающие прочность клеевых швов при склеивании материалов во влажной среде. Например, некоторые клеи содержат реакционноспособные группы, которые могут реагировать с водой с выделением газа и образованием других гидрофобных групп. Этот процесс активно отталкивает слой воды и образует прочно сшитую полимерную сеть.

С другой стороны, разработаны гидрофильные гидрогели, которые при набухании во влажной среде могут поглощать воду на границе раздела фаз. Такие соединения устойчивы к влаге и способны быстро отверждаться в водной среде, высаждаясь при водопоглощении.

В заключение, приведу пример уникального подхода по применению полимерного материала, обладающего высокой адгезией к живой ткани во влажной среде, разработанного в нашей группе в Университете Вашингтона.

При онкологическом заболевании поджелудочной железы, после удаления пораженной части органа, необходимо немедленно остановить кровотечение. А поскольку разрез на оставшейся части железы, как правило, имеет большую площадь, кровопотеря может быть довольно существенной. Чтобы преодолеть эту проблему, был предложен и экспериментально проверен метод покрытия разреза слоем полимера, имеющего специфическое свойство коагуляции (затвердевания) при температуре человеческого тела.

Специфичность применяемого полимера состоит в том, что он легко растворяется в воде при комнатной температуре. После чего, в процессе хирургической операции, разрез ткани органа покрывается этим раствором полимера, который при температуре, превышающей 32 градуса по Цельсию, начинает свертываться, превращаясь в сплошной слой, плотно покрывая поверхность разреза и, тем самым, останавливая кровотечение.

Образующийся полимерный слой обладает стабильностью формы и высокой степенью адгезии к живой ткани, которая обеспечивается структурой молекулярной цепи полимера, подвергнутой химической модификации специальной аминокислотой.

В нашем конкретном случае эта структурная модификация молекулы полимера (наряду с повышением гидрофобности самого материала) обеспечивает химическую связь между полимером и живой тканью. Этот фактор играет определяющую роль в улучшении адгезии термически переведенного в твердое состояние полимера к ткани поджелудочной железы.

Предположительно, это улучшение может быть обусловлено величиной сил, возникающих при контакте полимера с тканью, и связано со спецификой расположения функциональных групп аминокислотной структуры, а также формы образующейся поверхности, зависящей от включения этих групп в молекулярную цепь полимера.

Заключение

Исследование природных явлений, попытки изучения причин их возникновения, а также объяснение и интерпретация механизмов их действия оказывают плодотворное влияние на понимание происходящих в природе процессов. Это, в свою очередь, помогает при разработке технических новшеств и инновационных технологий, применяемых в различных областях науки, техники и медицины. В свою очередь, новые технологии и материалы являются основой для последующих технических революций, что может способствовать прогрессу человеческого общества.

Сиэтл, 2025