Ingeniører demonstrerer superstærk, vendbart klæbemiddel, der fungerer som snegleslime (opdatering)

Hvis du nogensinde har presset en billedhængende strimmel på væggen for kun at indse, at den er lidt off-center, du kender skuffelsen bag vedhæftning, som vi typisk oplever den:den kan være stærk, men det er for det meste irreversibelt. Mens du kan fjerne den brugte strimmel fra væggen, du kan ikke tænde dens klæbrighed igen for at justere placeringen; du skal starte forfra med en ny strimmel eller tolerere din fejl. Ud over dets relevans for indretning, holdbar, reversibel vedhæftning kan muliggøre genanvendelige konvolutter, tyngdekraftsbekæmpende støvler, og mere kraftige industrielle applikationer som bilmontering.

Sådan adhæsion har unddraget forskere i årevis, men findes naturligt i snegleslim.

En snegles epifras - et slimet lag af fugt, der kan hærde for at beskytte sin krop mod tørhed - gør det muligt for sneglen at cementere sig selv på plads i lange perioder, hvilket gør den til den ultimative model i vedhæftning, der kan tændes og slukkes efter behov.

I en ny undersøgelse, Penn Engineers demonstrerer en stærk, vendbart klæbemiddel, der bruger de samme mekanismer, som snegle gør.

Shu Yang, professor i Institut for Materialevidenskab og Teknik og i Institut for Kemisk og Biomolekylær Teknik, ledet undersøgelsen sammen med Hyesung Cho, en postdoktor i Yangs laboratorium, der nu er på Korea Institute of Science and Technology, og Penn Engineering kandidatstuderende Gaoxiang Wu og Jason Christopher Jolly. Laboratoriemedlem Yuchong Gao deltog også i forskningen. Teamet omfattede også samarbejdspartnere fra Lehigh University:Ingeniørprofessor Anand Jagota, postdoktorforsker Zhenping He, og kandidatstuderende Nicole Fortoul.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences .

Yang og hendes laboratoriemedlemmer har en historie om at oversætte, hvad naturen skaber gennem evolution til laboratoriemiljøet. Yang har ledet undersøgelser af nanoskala strukturer inspireret af kæmpe muslinger, sommerfugle, og pollen, og er direktør for AESOP, centret for analyse af udviklede strukturer som optimerede produkter, som har til formål at anvende bioinspirerede ejendomme til design og arkitektur.

Ifølge Yang, hun og hendes laboratorium har været interesseret i klæbemidler i et stykke tid, men den dominerende model for reversible klæbemidler i den naturlige verden, gekkoer, nåede dem ikke langt nok:

"Geckos kan lægge den ene hånd ned og derefter slippe den, så gekkoens vedhæftning er reversibel, men det er meget lav vedhæftning, "Siger Yang." En gekko er 50 gram, og et menneske er mindst 50 kg. Hvis du vil holde et menneske på en væg, det er ikke muligt at bruge det samme klæbemiddel. Du kan bruge et vakuum, men du skal have en besværlig vakuumpumpe med. Vi har arbejdet på dette i lang tid, og det har andre mennesker også. Og ingen kunne have en bedre løsning til at opnå superlimlignende vedhæftning, men også være reversibel. "

Gennembruddet kom en dag, da Gaoxiang Wu arbejdede på et andet projekt, der involverede en hydrogel fremstillet af en polymer kaldet polyhydroxyethylmethacrylat (PHEMA) og bemærkede dens usædvanlige klæbeegenskaber. PHEMA er gummiagtig, når den er våd, men stiv, når den er tør, en kvalitet, der gør den nyttig til kontaktlinser, men også, som Yangs team opdagede, til klæbemidler.

Når PHEMA er vådt, den passer til alle de små riller på en overflade, fra en træstammes tydelige kamme til den usynlige mikroporøsitet af en tilsyneladende glat væg. Denne konforme kontakt er det, der gør det muligt for PHEMA at klæbe til en overflade.

"Det er ligesom de barndomslegetøj, du smider på væggen, og de klistrer fast. Det er fordi, de er meget bløde. Forestil dig et plastikark på en væg; det kommer let af. Men squishy ting vil passe til hulrummene, "siger Yang.

Alene, denne evne til at tilpasse sig hulrum er ikke nok til at lave et godt klæbemiddel. Det, der virkelig betyder noget, er, hvad der sker, når materialet begynder at tørre. Når PHEMA tørrer, den bliver lige så stiv som en plastflaskehætte, men, entydigt, det krymper ikke. I stedet, materialet hærder ind i hulrummene, fastgør sig sikkert til overfladen.

"Når materialer tørrer, de krymper normalt. Hvis den krymper fra overfladen, det ønsker ikke længere at tilpasse sig mikrohulrummene, og det kommer ud, "siger Yang." Vores PHEMA -klæbemiddel springer ikke ud. Det forbliver konform. Det husker formen, selv når den er tør og stiv. "

Disse egenskaber, der hjalp Yangs team med at identificere PHEMA som en unik kandidat til reversibel, stærk vedhæftning er de samme egenskaber, der findes i en snegles epiphragm. På en solskinsdag, en snegles slimede epiphragm, i første omgang vådt, tilpasser sig overfladen, den er på og hærder, spærre sneglen fra det tørre miljø og holde sneglen fast på plads. Om natten, når miljøet bliver fugtigt, epiphragmen blødgør, lader sneglen bevæge sig frit igen.

Den reversibilitet mellem våd fleksibilitet og tør vedhæftning er, hvad forskerne ønskede at afprøve med PHEMA. Holdet kørte flere tests på deres PHEMA -hydrogel, vurdere dens evne til at holde vægt og den tid, det tager for vand at infiltrere klæbemidlet og vende dets greb. De fandt ud af, at PHEMA virkede bemærkelsesværdigt magen til snegleepiphragmen. Det var 89 gange stærkere end gecko -adhæsion, men dens greb blev let brudt, når den blev våd.

"Når det er konformt og stift, det er som super lim. Du kan ikke trække det af. Men, magisk, du kan genfugtes, og det glider ubesværet af, "siger Yang." Derudover, PHEMA mister ikke sin stærke vedhæftning, når den skaleres op. Som regel, der er en negativ sammenhæng mellem vedhæftningsstyrke og størrelse. Da PHEMA ikke er afhængig af en skrøbelig struktur, det har ikke det problem. "

For at demonstrere, hvor holdbart deres PHEMA -klæbemiddel er, en af ​​Yangs laboratoriemedlemmer og co-first forfatter, Jason Christopher Jolly, meldte sig frivilligt til at suspendere sig fra en sele, der kun blev holdt op af et lappemærke i frimærke i størrelse med deres klæbemiddel; materialet holdt let vægten af ​​en hel menneskekrop. Baseret på laboratorietestene holdet fastslog, at selvom PHEMA muligvis ikke er det stærkeste klæbemiddel, der findes, det er i øjeblikket den stærkeste kendte kandidat til rådighed til reversibel vedhæftning.

Med den slags magt, snegl-slimklæbemidlet kan have stor indflydelse på det videnskabelige område såvel som i industrien. Yang ser holdbar, vendbare klæbemidler som hendes PHEMA -hydrogel har et stort potentiale for husholdningsprodukter, robotsystemer, og industriel samling.

"Bilmontering bruger lim, og, du kan forestille dig, hvis der er fejl ved at sammensætte dele, klæbemidlet er sat og delene ødelagt, "Yang siger." En bil er temmelig stor. Normalt limer de ikke tingene sammen før det sidste trin, og du har brug for en ovn i rummets størrelse til at være vært for bilen og helbrede klæbemidlerne. Et klæbemiddel, der er stærkt og reversibelt som PHEMA, kan fuldstændigt ændre processen med bilmontering og spare penge, fordi fejl ikke ville være så dyre. "

På trods af sit løfte i applikationer som tung fremstilling, PHEMA er ikke egnet til de fleste industrier, fordi dens reversibilitet styres af vand. Selvom vand er den perfekte kontrolmekanisme for en snegl, du ville ikke have din bil til at falde fra hinanden i regnen. Så, selvom PHEMA er den første af sin art inden for reversibel vedhæftning, Yang erkender, at det bare er et udgangspunkt.

"Med mange ting, du vil ikke bruge vand. Vand tager tid at diffundere. I fremtiden, vi ønsker at finde det rigtige materiale, der kan skifte ejendommen sådan, "siger Yang.

Forskerne håber på i sidste ende at finde eller konstruere lim, der kan reagere på tegn som pH, specifikke kemikalier, lys, varme, eller elektricitet, udvide de potentielle anvendelser af reversibel vedhæftning.