มีอะไรอยู่ใต้เท้าตุ๊กแก ?

ถ้าพูดถึงผู้เชี่ยวชาญแห่งการไต่ ใครๆ ก็คงนึกถึง ตุ๊กแก เนื่องจากมันเป็นสัตว์ที่มีน้ำหนักมากที่สุดที่สามารถเกาะติดกับเพดานได้ นี่จึงเป็นเหตุผลที่ทำไมบรรดานักวิทยาศาสตร์จึงกระหายใคร่รู้ว่า อะไรเป็นสิ่งที่ทำให้เท้าของตุ๊กแกสามารถยึดฝาผนังแม้แต่ผนังที่เรียบๆ ให้ติดอยู่ได้ นักวิทยาศาสตร์จาก Max Planck Institute ในเมือง Stuttgart ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังขยายสูงส่องดูใต้เท้าของตุ๊กแกแล้ว พบว่ามีขนขนาดเล็กมากๆ ประมาณสิบล้านเส้นอยู่ใต้เท้าแต่ละข้าง

กลุ่มนักวิจัยพบว่า ในระดับนาโน (สิบยกกำลังลบเก้าหรือหนึ่งในล้านมิลลิเมตร) ความสามารถในการยึดติดของตุ๊กแกจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณความชื้นที่เพิ่มขึ้น การค้นพบนี้ได้จุดประกายให้เกิดการพัฒนาวัสดุยึดติด อย่างเช่น กระดาษกาว ให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

ซึ่งมีความกว้างและความยาวราวๆ 200 นาโนเมตร อยู่ประมาณสิบล้านเส้น ขนเหล่านี้จะสัมผัสและยึดเกาะกับสิ่งต่างๆ โดยตรง ขนเล็กๆ เหล่านี้จะอยู่บนสุดของระบบยึดเกาะสามระดับหรือบนปลายของ setae โดย setae จะมีขนาดประมาณหนึ่งในสิบของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์ คือยาวประมาณ 100 ไมโครเมตร และกว้างประมาณ 6 ไมโครเมตร และจะเรียงตัวอยู่ด้วยกันเป็นแถว เราเรียก setae ที่เรียงตัวกันเป็นแถวนี้ว่า lamellae ซึ่งมีความยาวตั้งแต่ 400 ถึง 600 ไมโครเมตร และมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า

ในระบบการยึดเกาะ การแตกกิ่งก้านที่ระดับยอดจะเพิ่มขึ้นน้อย ทำให้ตุ๊กแกสามารถเกาะเพดานและไต่ลงมาในลักษณะที่เอาหัวลงได้ จนกระทั่งบัดนี้ นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่มั่นใจว่ากลไกใดกันแน่ที่ทำให้เท้าของตุ๊กแกมีประสิทธิภาพในการเกาะติดขนาดนั้น เพราะค่อนข้างชัดเจนว่าระบบการยึดเกาะของตุ๊กแกนั้นแห้ง ไม่ได้มีการหลั่งสารอะไรออกมา จะมีก็แต่เพียงน้ำซึ่งเป็นเหมือนแผ่นฟิล์มบางๆ ที่มีอยู่บนทุกพื้นผิว

การทดลองในตอนนี้ ได้ศึกษาอยู่ที่ lamellae เดียว และ setae เดียว (มี 100 ถึง 1000 spatulae) โดยได้ใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอะตอมมิกฟอร์ซ (Atomic Force Microscope หรือ AFM) ซึ่งเป็นกล้องที่ใช้ส่องดูได้ถึงระดับอะตอม เพื่อดูความสามารถในการเกาะติดของแต่ละ spatulae โดยวัดแรงยึดเกาะกับพื้นผิวที่เคลือบด้วยฟิล์มน้ำในระดับต่างๆ กัน (แนวโน้มในการสร้างพันธะไฮโดรเจนกับน้ำ) ซึ่งเปรียบได้กับการวัดที่ระดับความชื้นที่ต่างกัน

นักวิจัยได้ทำการทดลองโดยใช้ปลายเข็มเขี่ยเอา setae ออกมาจากเท้าของตุ๊กแก แล้วนำมาวางให้เป็นเส้นตรงด้วยที่ยึดซึ่งติดอยู่กับกล้องจุลทรรศน์แบบสองตา หยดกาวซึ่งมีขนาดหยดเท่ากับขนตามนุษย์ลงไปอีกที และทำการตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่อาศัยลำแสงไอออนเป็นตัวโฟกัส (Focussed Ion Beam หรือ FIB) โดยใช้ลำแสงอ่อนๆ แค่เพียง 11 พิโคแอมแปร์ เพื่อป้องกันไม่ให้ setae ถูกทำลาย ในการทดลองจะตัดส่วนที่แตกแขนงจาก seta ในแนวขนานออกมา วิธีนี้จะช่วยลดจำนวน spatulae จากที่มีจำนวนเป็นร้อยๆ ให้เหลือน้อยกว่า 5 spatulae

นักวิจัยต้องเตรียมฟิล์มน้ำบนแผ่นกระจกที่มีระดับความชื้นแตกต่างกัน ซึ่งพื้นผิวเหล่านี้จะสร้างหรือผลักพันธะกับน้ำอย่างใดอย่างหนึ่ง ขึ้นกับระดับความชุ่มของน้ำ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่ายิ่งพื้นผิวชุ่มน้ำมากเท่าไร ยิ่งมีแรงยึดเกาะมากเท่านั้น อย่างไรก็ตามการทดลองไม่สามารถบอกได้ถึงความเกี่ยวพันระหว่างแรงยึดเหนี่ยวของน้ำ (Capillary Force) และแรงวันเดอร์วาลล์ (Van der Waals force) [การศึกษาก่อนหน้านี้จากทีมวิจัยจาก Lewis & Clark College, the University of California at Berkeley, the University of California at Santa Barbara และ Stanford Universityได้ให้ข้อมูลว่าความสามารถในการไต่ของตุ๊กแกขึ้นกับแรงวันเดอร์วาลล์] ซึ่งจะต้องทำการศึกษาต่อไปที่ระดับความชื้นที่แตกต่างกัน

จากผลการทดลองจะเห็นว่า เมื่อความชื้นเพิ่มขึ้น แรงยึดเหนี่ยวของน้ำก็มีมากขึ้น ฟิล์มน้ำบางๆ ก็เหมือนกับความชื้นที่มีอยู่ระหว่าง spatula ของตุ๊กแกกับพื้นผิว ซึ่งเป็นแรงยึดที่ดึงดูดอนุภาคต่างชนิดกัน (Adhesive force) ผลการศึกษานี้ เผยให้เห็นกลไกการยึดติดใต้เท้าของตุ๊กแกในระดับนาโน ซึ่งจะช่วยให้เกิดการคิดค้นพัฒนาวัสดุยึดติดต่างๆ ให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

Evidence for capillarity contributions to gecko adhesion from single spatula nanomechanical measurements. PNAS, vol. 102, no. 45, 16293 - 16296, November 8, 2005