Diferentes configuraciones cambian el efecto adhesivo del material de silicona, a cuya superficie se le ha dado una estructura en forma de hongo. La adhesión es mejor cuando se dobla cóncava (derecha). Crédito:© Emre Kizilkan
Gracias a los elementos adhesivos especiales en sus pies, geckos, las arañas y los escarabajos pueden correr fácilmente a lo largo de techos o paredes. La ciencia de la biónica ha intentado imitar y controlar tales habilidades bioinspiradas para aplicaciones tecnológicas y la creación de materiales artificiales. Un equipo de investigación de la Universidad de Kiel (CAU) ha logrado aumentar significativamente el efecto adhesivo de un material de silicona. Para hacerlo combinaron dos métodos:Primero, estructuraron la superficie en la microescala basándose en el ejemplo de las patas de escarabajo, y luego lo trató con plasma. Además, descubrieron que la adhesividad del material estructurado cambia drásticamente si se dobla en diversos grados. Entre otras áreas de aplicación, sus resultados podrían aplicarse al desarrollo de pequeños robots y dispositivos de agarre. Se han publicado en las últimas ediciones de las revistas científicas. Materiales avanzados y Interfaces y materiales aplicados ACS .
Los materiales sintéticos elásticos como los elastómeros de silicona son muy populares en la industria. Son flexibles reutilizable baratos y fáciles de producir. Por lo tanto, se utilizan como sellos, para aislamiento, y como protección contra la corrosión. Sin embargo, debido a su baja energía superficial, apenas son adhesivos. Esto dificulta la pintura de superficies de silicona, por ejemplo.
El profesor Stanislav N. Gorb y Emre Kizilkan del grupo de trabajo de morfología funcional y biomecánica están investigando cómo mejorar las propiedades adhesivas de los elastómeros de silicona. Su ejemplo para imitar es la estructura de la superficie de ciertos escarabajos machos de las hojas (Chrysomelidae), pareciendo hongos. En dos estudios recientes, descubrieron que los elastómeros de silicona se adhieren mejor si su superficie se modifica en estructuras en forma de hongo y luego se trata específicamente con plasma. El gas cargado eléctricamente es un cuarto estado de la materia junto con los sólidos, líquidos y gases. Por lo tanto, los investigadores combinaron métodos geométricos y químicos para imitar la biología. Además, demostraron que el grado de curvatura de los materiales afecta su adherencia.
Bajo un microscopio electrónico de barrido, la superficie del elastómero de silicona con sus elementos adhesivos en forma de hongo se hace visible. Están inspirados en las microestructuras de las patas de determinadas especies de escarabajos de las hojas. Crédito:Emre Kizilkan
"Los animales y las plantas nos brindan una gran experiencia sobre algunas características increíbles. Queremos transferir los mecanismos detrás de ellos a materiales artificiales, para poder controlar su comportamiento de manera específica, ", dijo el zoólogo Gorb. Su objetivo de adhesión reversible en el rango micro sin pegamento tradicional podría hacer concebibles aplicaciones completamente nuevas, por ejemplo, en microelectrónica.
Durante las pruebas experimentales, las siliconas se curvan
En un primer paso el equipo de investigación comparó elastómeros de silicona de tres superficies diferentes:una no estructurada, uno con elementos en forma de pilar y un tercero con estructura en forma de hongo. Usando un micro-manipulador, pegaron una bola de vidrio en las superficies y luego la quitaron de nuevo. Probaron cómo cambia la adhesión cuando los materiales con superficies microestructuradas se doblan convexos (hacia adentro) y cóncavos (hacia afuera). "De este modo, pudimos demostrar que los materiales de silicona con una estructura en forma de hongo y cóncavo curvo tienen el doble rango de fuerza adhesiva, "dijo el investigador de doctorado Emre Kizilkan, primer autor del estudio. "Con esta estructura de superficie, podemos variar y controlar la adherencia de los materiales al máximo ".
Las superficies de silicona tratadas con plasma (abajo) tienen una adhesividad más fuerte que las superficies sin tratar (arriba). El material solo se separa de la superficie del vidrio después de 50,4 segundos (I), mientras que el material sin tratar ya se separa después de 32,8 segundos (D). Crédito:Emre Kizilkan
En un segundo paso, los científicos trataron los elastómeros de silicona con plasmas. Este método se utiliza normalmente para funcionalizar materiales plásticos, para aumentar su energía superficial y mejorar sus propiedades adhesivas. En comparación con otros métodos que utilizan líquidos, Los tratamientos con plasma pueden prometer una mayor longevidad; sin embargo, a menudo dañan las superficies de los materiales.
Para descubrir cómo los tratamientos con plasma pueden mejorar significativamente la adhesión de un material sin dañarlo, los científicos variaron diferentes parámetros, como la duración o la presión. Descubrieron que la adhesión de superficies no estructuradas sobre un sustrato de vidrio aumentaba aproximadamente en un 30 por ciento después del tratamiento con plasma. En la superficie estructurada en forma de hongo, la adhesión incluso aumentó hasta en un 91 por ciento. "Estos hallazgos nos sorprendieron particularmente, porque la superficie estructurada es solo la mitad de grande que la no estructurada, pero la mejora de la adhesión fue tres veces mejor después del tratamiento con plasma, "explicó Kizilkan.
Qué sucede cuando las superficies estructuradas tratadas y no tratadas se retiran del sustrato de vidrio muestran las grabaciones con una cámara de alta velocidad:Debido a su mayor energía superficial, la microestructura tratada con plasma permanece completamente en contacto con la superficie del vidrio durante 50,6 segundos. Sin embargo, el área de contacto de la microestructura sin tratar se reduce rápidamente en aproximadamente un tercio durante el proceso de eliminación, razón por la cual la microestructura se desprende completamente del sustrato de vidrio después de 33 segundos (Figura 3).
"Por lo tanto, tenemos en un área muy pequeña una adhesión extremadamente fuerte con un amplio rango, "dice Kizilkan. Esto hace que los resultados sean especialmente interesantes para aplicaciones a pequeña escala como los micro-robots. Los hallazgos del grupo de trabajo de Kiel ya han dado como resultado el desarrollo de una cinta adhesiva extremadamente resistente, que funciona según el "principio gecko, "y se puede eliminar sin dejar residuos.
