Forskerhold øger klæbeevnen af ​​silikone ved at bruge eksemplet med biller

Takket være specielle klæbeelementer på deres fødder, gekkoer, edderkopper og biller kan nemt løbe langs lofter eller vægge. Bionikkens videnskab har forsøgt at efterligne og kontrollere sådanne bio-inspirerede evner til teknologiske anvendelser og skabelsen af ​​kunstige materialer. Det er nu lykkedes et forskerhold fra Kiel University (CAU) at forstærke klæbeeffekten af ​​et silikonemateriale markant. For at gøre det, de kombinerede to metoder:For det første de strukturerede overfladen på mikroskalaen baseret på eksemplet med billefødder, og derefter behandlet det med plasma. Ud over, de fandt ud af, at klæbeevnen af ​​det strukturerede materiale ændrer sig drastisk, hvis det bøjes i varierende grad. Blandt andre anvendelsesområder, deres resultater kunne gælde udviklingen af ​​bittesmå robotter og gribeanordninger. De er blevet offentliggjort i de seneste udgaver af de videnskabelige tidsskrifter Avancerede materialer og ACS anvendte materialer og grænseflader .

Elastiske syntetiske materialer såsom silikone elastomerer er meget populære i industrien. De er fleksible, genbrugelig, billig og nem at producere. De bruges derfor som segl, til isolering, og som korrosionsbeskyttelse. Imidlertid, på grund af deres lave overfladeenergi, de er næsten ikke klæbende overhovedet. Dette gør det vanskeligt at male silikoneoverflader, for eksempel.

Professor Stanislav N. Gorb og Emre Kizilkan fra arbejdsgruppen Functional Morphology and Biomechanics forsker i, hvordan man kan forbedre de klæbende egenskaber af silikoneelastomerer. Deres eksempel at efterligne er overfladestrukturen af ​​visse hanblade biller (Chrysomelidae), ligner svampe. I to nyere undersøgelser, de opdagede, at silikone-elastomerer hæfter bedst, hvis deres overflade modificeres til svampelignende strukturer og derefter specifikt behandles med plasma. Den elektrisk ladede gas er en fjerde tilstand af stof ved siden af ​​faste stoffer, væsker og gasser. Dermed, forskerne kombinerede geometriske og kemiske metoder for at efterligne biologi. Ud over, de viste, at graden af ​​krumning af materialerne påvirker deres vedhæftning.

"Dyr og planter giver os et væld af erfaringer om nogle utrolige egenskaber. Vi ønsker at overføre mekanismerne bag dem til kunstige materialer, at være i stand til at kontrollere deres adfærd på en målrettet måde, " sagde zoologen Gorb. Deres mål om reversibel adhæsion i mikroområdet uden traditionel lim kunne gøre helt nye anvendelser tænkelige - f.eks. i mikroelektronik.

Under eksperimentelle test er silikoner buede

I et første skridt, forskerholdet sammenlignede silikoneelastomerer af tre forskellige overflader:en ustruktureret, en med søjleformede elementer og en tredje med en svampelignende struktur. Ved hjælp af en mikromanipulator, de satte en glaskugle på overfladerne og fjernede den så igen. De testede, hvordan vedhæftningen ændres, når materialerne med mikrostrukturerede overflader bøjes konvekse (indad) og konkave (udad). "På denne måde vi var i stand til at demonstrere, at silikonematerialer med en svampelignende struktur og buet konkav har den dobbelte række af klæbestyrke, " sagde doktorgradsforsker Emre Kizilkan, første forfatter til undersøgelsen. "Med denne overfladestruktur, vi kan variere og kontrollere materialernes vedhæftning mest."

I et andet trin, forskerne behandlede silikoneelastomererne med plasmaer. Denne metode bruges normalt til at funktionalisere plastmaterialer, for at øge deres overfladeenergi og for at forbedre deres klæbeegenskaber. Sammenlignet med andre metoder, der bruger væsker, plasmabehandlinger kan love længere levetid - dog de beskadiger ofte materialers overflader.

For at finde ud af, hvordan plasmabehandlinger markant kan forbedre vedhæftningen af ​​et materiale uden at beskadige det, forskerne varierede forskellige parametre, såsom varigheden eller trykket. De fandt ud af, at vedhæftningen af ​​ustrukturerede overflader på et glasunderlag steg med cirka 30 procent efter plasmabehandling. På den svampelignende strukturerede overflade, vedhæftningen steg endda med op til 91 procent. "Disse resultater overraskede os især, fordi den strukturerede overflade kun er halvt så stor som den ustrukturerede, men adhæsionsforbedring var tre gange bedre efter plasmabehandlingen, " forklarede Kizilkan.

Hvad sker der, når de behandlede og ikke-behandlede strukturerede overflader fjernes fra glassubstratet, viser optagelserne med et højhastighedskamera:På grund af dets højere overfladeenergi, den plasmabehandlede mikrostruktur forbliver fuldstændig i kontakt med glassets overflade i 50,6 sekunder. Imidlertid, kontaktarealet af den ubehandlede mikrostruktur reduceres hurtigt med omkring en tredjedel under fjernelsesprocessen, hvilket er grunden til, at mikrostrukturen løsner sig fuldstændigt fra glassubstratet allerede efter 33 sekunder (figur 3).

"Vi har derfor på et meget lille område en ekstremt stærk vedhæftning med en bred vifte, " siger Kizilkan. Dette gør resultaterne særligt interessante til småskalaapplikationer som mikrorobotter. Resultaterne fra Kiel-arbejdsgruppen har allerede resulteret i udviklingen af ​​et ekstremt stærkt klæbende tape, som fungerer efter "gekko-princippet, " og kan fjernes uden at efterlade rester.