Forskere udvikler stærkt, men genanvendeligt klæbemiddel fra smarte materialer

Forskere fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet et smart, genanvendeligt klæbemiddel, der er mere end 10 gange stærkere end en gekkos fødder vedhæftning, hvilket peger vejen for udvikling af genanvendelig superlim og gribere, der er i stand til at holde tunge vægte på tværs af ru og glatte overflader.

NTU-forskerholdet, ledet af professor K Jimmy Hsia, fandt en måde at maksimere vedhæftningen af ​​de smarte klæbemidler ved at bruge formhukommelsespolymerer, som nemt kan klæbe og løsne sig, når det er nødvendigt blot ved at opvarme dem.

Skrev sidste måned i tidsskriftet National Science Review , holdet beskriver deres gennembrud inden for adhæsion ved at designe polymermaterialet med formhukommelse i form af hårlignende fibriller.

Dette smarte klæbemiddel kan understøtte ekstremt tunge vægte, hvilket åbner nye muligheder for robotgribere, der giver mennesker mulighed for at skalere vægge ubesværet, eller klatrerobotter, der kan klamre sig til lofter til undersøgelse eller reparation.

Professor Hsia, formand for maskinteknik, NTU School of Mechanical &Aerospace Engineering (MAE) og School of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, sagde:"Denne forskning er baseret på en grundlæggende forståelse af mekanismerne for adhæsionskræfter på ru overflader. Det kan hjælpe os med at udvikle meget stærke, men dog let aftagelige, klæbemidler, der kan tilpasses til ru overflader. Teknologien vil være meget nyttig i klæbende gribere og klatrerobotter og kan en dag lade mennesker klatre op på vægge som en virkelig Spider-Man. P>

Shape-memory polymerer er materialer, der kan holde "minder" fra deres tidligere form og vende tilbage til deres oprindelige form, efter at de er blevet deformeret ved at påføre eksterne stimuli såsom varme, lys eller elektrisk strøm. Disse egenskaber gør dem ideelle til at blive brugt som omskiftelige klæbemidler, der kan tilpasse sig forskellige overflader.

I deres test brugte forskerne en polymer med formhukommelse ved navn E44 epoxy, en stiv og glaslignende plastik ved stuetemperatur. Ved opvarmning forvandles materialet til en blød gummilignende tilstand, der kan tilpasse sig og låse fast på mikroskopiske kroge og sprækker. Når det afkøles, bliver det glasagtigt, hvilket skaber ekstra stærke klæbebindinger på grund af en formlåsende effekt.

Når materialet genopvarmes, vender det tilbage til sin gummiagtige tilstand, så det kan trækkes væk og nemt løsnes fra overfladen, det klistrede sig til.

Forskerne fandt ud af, at den mest effektive vedhæftning kom fra at designe polymeren med formhukommelse til en række hårlignende fibriller. Hver fibril skulle designes omhyggeligt - større fibriller havde svagere vedhæftning, mens de mindre fibriller var svære at fremstille og tilbøjelige til at kollapse og nedbrydes. Den søde plet var mellem 0,5 mm og 3 mm i radius, hvilket skubbede grænserne for vedhæftning, samtidig med at den strukturelle integritet bibeholdtes.

I deres eksperimenter fandt forskerne, at en fibril med en 19,6 mm ² tværsnit kunne understøtte belastninger op til 1,56 kg. Hver ekstra fibril giver mulighed for at understøtte mere vægt. En håndfladestørrelse af 37 fibriller, der vejer omkring 30 g, kan holde en vægt på 60 kg – et voksent menneskes vægt.

Forskningspapirets første forfatter, NTU Research Fellow Dr. Linghu Changhong, sagde:"Vores smarte klæbemiddel eksemplificerer, hvordan polymerer med formhukommelse kan opretholde og endda forbedre vedhæftning, når overfladens ruhed øges. Dette overvinder "adhæsionsparadokset", som forskerne har undret sig over. over, hvor der er et fald i vedhæftningsstyrken på ru overflader på trods af at de har mere overfladeareal for molekyler at klæbe til.

"Vores test viste, at polymerens adhæsionsstyrke øges sammen med overfladeruheden, når den er i fast tilstand og falder, når den er i gummiagtig tilstand."

Medkorresponderende forfatter Professor Gao Huajian, tidligere en Distinguished University Professor fra NTU's School of MAE og i øjeblikket Xinghua University Professor ved Tsinghua University, sagde:"Af praktiske gribende formål skal klæbemidlet være stærkt nok til at klæbe på en overflade, men alligevel også nemt at løsne, når det er nødvendigt at skifte mellem de to tilstande er afgørende for praktiske applikationer. Stærkere klæbemidler kan understøtte tungere belastning, men har en tendens til at være sværere at løsne - det er, hvad vi kalder en "skiftbarhedskonflikt".

"Vores forskning i polymerer med formhukommelse har resulteret i et klæbemiddel, der nemt kan hærde til at klæbe på overflader, og lige så let blødgøres for at løsne sig, alt imens det er i stand til at bære tunge vægte, herunder et menneskes."

Professor Hsia tilføjede:"De polymerklæbemidler med formhukommelse, vi designede, overvandt både adhæsionsparadokset og omskiftelighedskonflikten og gav retningslinjer for udvikling af stærkere og mere omskiftelige klæbemidler, der kan tilpasses ru overflader."

Baner vejen for klæbrigt klatreudstyr

Afmontering af formhukommelsespolymeren, mens den er fastgjort til en overflade i glastilstand, tager mindre end et minuts opvarmning med en hårtørrer for at bringe temperaturer op til 60°C. Omvendt tager det omkring tre minutter for vedhæftning, før materialet køles grundigt ned og låses på plads.

Temperaturen, ved hvilken polymeren ændrer tilstand, kan styres ved at justere forholdet mellem de komponenter, der anvendes til at danne polymeren. Dette gør det muligt for polymeren at blive brugt i ekstreme miljøer, såsom varme vejrforhold. I deres test indstillede forskerne temperaturen, hvorved polymeren løsner sig, til 60°C, en temperatur, der falder uden for de mest komfortable forhold i den virkelige verden.

Materialets evne til at fastgøre og løsne ved kun at bruge varme lader det fungere som en genanvendelig superlim, der ikke efterlader klæbrige rester på væggene. Den kan også bruges som bløde gribere, der er i stand til at klæbe på genstande med forskellige overfladeteksturer og pålideligt holde dem i længere perioder.

Dr. Changhong sagde:"På dette nuværende stadie begrænser opvarmnings- og afkølingstider såvel som skiftende temperatur antallet af anvendelsessager i den virkelige verden. Men vores resultater viser, at det er muligt at reducere ventetiderne til få sekunder, og skiftetemperaturerne kan sænkes til næsten kropstemperatur, hvilket dramatisk åbner op for anvendelsesmuligheder.

"Stimulierne til at skifte materialet fra en tilstand til en anden kan også være forskellige, såsom at bruge elektrisk strøm eller lys i stedet for."

Fremadrettet sigter forskerholdet på at reducere den køletid, der kræves for vedhæftning. Holdet forestiller sig, at klæbemidlet i sidste ende kan bruges i klatreudstyr - såsom handsker og støvler - der vil gøre det muligt for klatrere at klæbe på og skalere vægge. Robotter kunne også udstyres med materialet til at skabe vægklatrerobotter, som er nyttige i mange industrier såsom byggeri og bygningsopmåling.

Flere oplysninger: Changhong Linghu et al., Fibrillære klæbemidler med hidtil uset adhæsionsstyrke, omskiftbarhed og skalerbarhed, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae106

Leveret af Nanyang Technological University