Los pies de los geckos tienen varias especializaciones. Sus superficies pueden adherirse a cualquier tipo de material a excepción del teflón (PTFE). Este fenómeno se puede explicar con tres elementos:
- Estructura del pie
- Estructura del material al que se adhiere el pie
- La capacidad de adherirse a una superficie y formar parte de ella.
Fondo
Los geckos son miembros de la familia Gekkonidae . Son reptiles que habitan en regiones templadas y tropicales. Hay más de 1,000 especies diferentes de geckos. [1] Pueden ser de una variedad de colores. Los geckos son omnívoros y se alimentan de una variedad de alimentos, incluidos insectos y gusanos. [2] La mayoría de las especies de gecos, incluido el geco crestado ( Rhacodactylus ciliatus ), [3] pueden trepar paredes y otras superficies.
Estructura
Estructura química
Las interacciones entre los pies del gecko y la superficie de escalada son más fuertes que los simples efectos de superficie. En sus pies, el gecko tiene muchos pelos microscópicos, o setas (seta singular), que aumentan las fuerzas de Van der Waals , la atracción dependiente de la distancia entre átomos o moléculas, entre sus pies y la superficie. Estas setas son proteínas estructurales fibrosas que sobresalen de la epidermis , que está hecha de β-queratina , [5] el componente básico de la piel humana .
Estructura física
La superficie inferior de la pata de un gecko estará formada por millones de estructuras peludas llamadas setas. Estas setas miden 5 mm de largo y son más delgadas que un cabello humano. Hay miles de estructuras diminutas llamadas espátula en cada seta. Los geckos crean la fuerza de Van der Waals al hacer contacto con la superficie de los materiales usando sus espátulas. Más espátulas implican más superficie. Las espátulas tienen bordes afilados, que al aplicar una tensión en un ángulo específico, se doblan y crean más contacto con la superficie para trepar verticalmente. Por lo tanto, un mayor contacto con la superficie crea más fuerza de Van der Waals para soportar todo el cuerpo de la criatura. Una seta puede contener pesos de hasta 20 mg usando la fuerza de Van der Waals. Totalmente, con la ayuda de millones de setas, un gecko puede contener alrededor de 300 libras. Las cerdas de β-queratina tienen aproximadamente 5 µm de diámetro. El final de cada seta consta de aproximadamente 1.000 espátulas que tienen forma de triángulo isósceles . Las espátulas miden aproximadamente 200 nm en un lado y 10-30 nm en los otros dos lados. [6] Las setas están alineadas paralelas entre sí, pero no orientadas de manera normal a los dedos de los pies. Cuando las pelotas entran en contacto con otra superficie, su carga es soportada por componentes laterales y verticales. El componente de carga lateral está limitado por el desprendimiento de las espátulas y el componente de carga vertical está limitado por la fuerza de corte .
las fuerzas de van der Waals
Interacción de la superficie de Hamaker
La siguiente ecuación se puede utilizar para caracterizar cuantitativamente las fuerzas de Van der Waals, aproximando la interacción entre dos superficies planas:
donde F es la fuerza de interacción, A H es la constante de Hamaker y D es la distancia entre las dos superficies. Las setas de gecko son mucho más complicadas que una superficie plana, ya que cada pie tiene aproximadamente 14.000 setas y cada una tiene unas 1.000 espátulas. Estas interacciones de la superficie ayudan a suavizar la rugosidad de la superficie de la pared, lo que ayuda a mejorar la interacción entre el gecko y la superficie de la pared.
Factores que afectan la adhesión
Muchos factores afectan la adhesión , entre ellos:
Derivación del potencial de interacción
Interacción de Van der Waals
Usando el potencial de interacción dipolo-dipolo combinado entre las moléculas A y B:
donde W AB es la energía potencial entre las moléculas (en julios ), C AB es el parámetro de interacción combinado entre las moléculas (en J m 6 ) y D es la distancia entre las moléculas [en metros]. La energía potencial de una molécula a una distancia perpendicular D de la superficie plana de un material que se extiende infinitamente se puede aproximar como:
donde D ′ es la distancia entre la molécula A y un volumen infinitesimal de material B, y ρ B es la densidad molecular del material B (en moléculas / m 3 ). Esta integral se puede escribir en coordenadas cilíndricas, siendo x la distancia perpendicular medida desde la superficie de B al volumen infinitesimal, y r la distancia paralela:
Potencial de las espátulas de modelado
La interacción gecko-pared se puede analizar aproximando la espátula gecko como un cilindro largo con radio r s . Entonces la interacción entre una sola espátula y una superficie es:
donde D ′ es la distancia entre la superficie de B y un volumen infinitesimal de material A y ρ A es la densidad molecular del material A (en moléculas / m 3 ). Usando coordenadas cilíndricas una vez más, podemos encontrar que el potencial entre la espátula gecko y el material B es entonces:
donde A H es la constante de Hamaker para los materiales A y B.
La fuerza de Van der Waals por espátula, F s se puede calcular luego diferenciando con respecto a D y obtenemos:
Luego, podemos reorganizar esta ecuación para obtener r s en función de A H :
donde se utilizó una distancia interatómica típica de 1,7 Å para sólidos en contacto y se utilizó una F s de 40 µN según un estudio de Autumn et al . [5]
Verificación experimental
La ecuación para r s se puede utilizar con las constantes de Hamaker [8] calculadas para determinar un radio de seta aproximado. Se utilizaron las constantes de Hamaker a través de un vacío y una monocapa de agua. Para aquellos con una monocapa de agua, la distancia se duplicó para tener en cuenta las moléculas de agua.
Radios de seta calculados Materiales A / B A H (10 −20 J) Calculado r s (µm) Hidrocarburo / Hidrocarburo (vacío) 2.6–6.0 0,21-0,14 Hidrocarburo / Hidrocarburo (agua) 0,36-0,44 1.6–1.5 Hidrocarburo / Sílice (vacío) 4.1–4.4 0,17-0,16 Hidrocarburo / Sílice (agua) 0,25-0,82 1.9–1.1 Albúmina / Sílice (agua) 0,7 1.2
Estos valores son similares al radio real de las pelotas en el pie de un gecko (aproximadamente 2,5 μm). [5] [9]
Adhesivos sintéticos
La investigación intenta simular el atributo adhesivo del gecko. Los proyectos que han explorado el tema incluyen:
- Replicando los polímeros rígidos adhesivos fabricados en microfibras que son aproximadamente del mismo tamaño que las setas de gecko. [11]
- Replicando el atributo de autolimpieza que ocurre naturalmente cuando los pies de gecko acumulan partículas de una superficie exterior entre las setas. [12]
- Matrices de nanotubos de carbono transferidas a una cinta de polímero. [13] En 2015 se lanzaron productos comerciales inspirados en este trabajo. [14]
Ver también
- Adhesión de artrópodos
Referencias
- ^ Skibinski, Brian. "Todas las especies" . Geckolist.com . Consultado el 3 de junio de 2011 .
- ^ "¿Qué comen los gecos crestados? 12 mejores alimentos y guía de alimentación 2019" . 2018-12-25.
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