Si alguna vez presionó una tira para colgar cuadros en la pared y se dio cuenta de que está ligeramente descentrada, conoce la decepción detrás de la adhesión tal como la experimentamos normalmente:puede ser fuerte, pero en su mayoría es irreversible. Si bien puede despegar la tira usada de la pared, no se puede volver a activar su adherencia para ajustar su ubicación; tienes que empezar de nuevo con una nueva tira o tolerar tu error. Más allá de su relevancia para la decoración de interiores, durable, La adhesión reversible podría permitir sobres reutilizables, botas que desafían la gravedad, y aplicaciones industriales más resistentes como el montaje de automóviles.

Tal adhesión ha eludido a los científicos durante años, pero se encuentra naturalmente en la baba de los caracoles.

El epífragma de un caracol, una capa viscosa de humedad que puede endurecerse para proteger su cuerpo de la sequedad, permite que el caracol se pegue en su lugar durante largos períodos de tiempo. lo que lo convierte en el modelo definitivo en adherencia que se puede encender y apagar según sea necesario.

En un nuevo estudio, Los ingenieros de Penn demuestran un fuerte Adhesivo reversible que utiliza los mismos mecanismos que hacen los caracoles.

Shu Yang, profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, dirigió el estudio junto con Hyesung Cho, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Yang que ahora se encuentra en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea, y los estudiantes graduados de Penn Engineering Gaoxiang Wu y Jason Christopher Jolly. El miembro del laboratorio Yuchong Gao también participó en la investigación. El equipo también incluyó colaboradores de la Universidad de Lehigh:el profesor de ingeniería Anand Jagota, investigador postdoctoral Zhenping He, y la estudiante de posgrado Nicole Fortoul.

El estudio fue publicado en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Yang y los miembros de su laboratorio tienen un historial de traducir lo que la naturaleza crea a través de la evolución al entorno del laboratorio. Yang ha dirigido estudios sobre estructuras a nanoescala inspiradas en almejas gigantes, mariposas y polen, y es el director de AESOP, el Centro de Análisis de Estructuras Evolucionadas como Productos Optimizados, que tiene como objetivo aplicar propiedades bioinspiradas al diseño y la arquitectura.

Según Yang, ella y su laboratorio han estado interesados ​​en los adhesivos durante un tiempo, pero el modelo predominante de adhesivos reversibles en el mundo natural, geckos, no los estábamos llevando lo suficientemente lejos:

"Los geckos pueden bajar una mano y luego soltarla, para que la adherencia del gecko sea reversible, pero es muy baja adherencia, ", Dice Yang." Un gecko pesa 50 gramos, y un humano pesa al menos 50 kilogramos. Si quieres sostener a un humano en una pared, no es posible usar el mismo adhesivo. Podrías usar una aspiradora pero tienes que llevar una incómoda bomba de vacío. Hemos estado trabajando en esto durante mucho tiempo, y también otras personas. Y nadie podría tener una mejor solución para lograr una adherencia similar al pegamento pero que también sea reversible ".

El avance se produjo un día cuando Gaoxiang Wu estaba trabajando en otro proyecto que involucraba un hidrogel hecho de un polímero llamado polihidroxietilmetacrilato (PHEMA) y notó sus inusuales propiedades adhesivas. PHEMA es gomoso cuando está mojado pero rígido cuando está seco, una cualidad que la hace útil para lentes de contacto pero también, como descubrió el equipo de Yang, para adhesivos.

Cuando PHEMA está mojado, se ajusta a todas las pequeñas ranuras de una superficie, desde las distintas crestas del tronco de un árbol hasta la microporosidad invisible de una pared aparentemente lisa. Este contacto conforme es lo que permite que PHEMA se adhiera a una superficie.

"Es como esos juguetes de la infancia que tiras en la pared y se pegan. Eso es porque son muy suaves. Imagina una lámina de plástico en una pared; se desprende fácilmente. Pero las cosas blandas se amoldarán a las cavidades, "dice Yang.

Solo, esta capacidad de adaptarse a las cavidades no es suficiente para hacer un buen adhesivo. Lo que realmente importa es lo que sucede cuando el material comienza a secarse. A medida que PHEMA se seca, se vuelve tan rígido como la tapa de una botella de plástico, pero, únicamente, no se encoge. En lugar de, el material se endurece en las cavidades, sujetándose de forma segura a la superficie.

"Cuando los materiales se secan, generalmente se encogen. Si se encoge de la superficie, ya no quiere ajustarse a las microcavidades y saldrá, "dice Yang." Nuestro adhesivo PHEMA no se sale. Se mantiene conforme. Recuerda la forma incluso cuando está seca y rígida ".

Estas propiedades que ayudaron al equipo de Yang a identificar PHEMA como un candidato único para reversible, la adhesión fuerte son las mismas propiedades que se encuentran en el epifragma de un caracol. En un día soleado, el epífragma viscoso de un caracol, inicialmente mojado, se adapta a la superficie sobre la que se encuentra y se endurece, hacer barricadas al caracol del ambiente seco y sujetarlo firmemente en su lugar. Por la noche, cuando el ambiente se vuelve húmedo, el epífragma se ablanda, permitiendo que el caracol se mueva libremente de nuevo.

Esa reversibilidad entre la flexibilidad en húmedo y la adhesión en seco es lo que los investigadores querían poner a prueba con PHEMA. El equipo realizó varias pruebas en su hidrogel PHEMA, evaluando su capacidad para soportar peso y el tiempo que tarda el agua en infiltrarse en el adhesivo y revertir su agarre. Descubrieron que PHEMA actuaba de manera notablemente similar al epifragma del caracol. Era 89 veces más fuerte que la adherencia del gecko, pero su agarre se rompía fácilmente cuando se mojaba.

"Cuando es conforme y rígido, es como un superpegamento. No puedes lograrlo. Pero, por arte de magia, puedes rehumedecerlo, y se desliza sin esfuerzo, "dice Yang". Además, PHEMA no pierde su fuerte adhesión cuando se amplía. Generalmente, existe una correlación negativa entre la fuerza de adhesión y el tamaño. Dado que PHEMA no depende de una estructura frágil, no tiene ese problema ".

Para demostrar cuán duradero es su adhesivo PHEMA, uno de los miembros del laboratorio de Yang y co-primer autor, Jason Christopher Jolly, se ofreció a suspenderse de un arnés sostenido únicamente por un parche del tamaño de un sello postal de su adhesivo; el material soportaba fácilmente el peso de todo un cuerpo humano. Según las pruebas de laboratorio, el equipo determinó que, aunque PHEMA puede no ser el adhesivo más fuerte que existe, actualmente es el candidato conocido más fuerte disponible para la adhesión reversible.

Con ese tipo de poder El adhesivo de baba de caracol podría tener un gran impacto tanto en el campo científico como en la industria. Yang ve duradero adhesivos reversibles como su hidrogel PHEMA por tener un enorme potencial para productos domésticos, sistemas robóticos, y montaje industrial.

"El montaje de automóviles utiliza adhesivos, y, puedes imaginar, si hay algún error al juntar las piezas, el adhesivo se fija y las piezas se arruinan, "Dice Yang." Un coche es bastante grande. Por lo general, no pegan las cosas juntas hasta el último paso, y necesita un horno del tamaño de una habitación para albergar el automóvil y curar los adhesivos. Un adhesivo que sea fuerte y reversible como PHEMA podría cambiar completamente el proceso de ensamblaje del automóvil y ahorrar dinero porque los errores no serían tan costosos ".

A pesar de su promesa en aplicaciones como la fabricación pesada, PHEMA no es adecuado para la mayoría de las industrias porque su reversibilidad está controlada por el agua. Si bien el agua es el mecanismo de control perfecto para un caracol, no querrás que tu coche se caiga a pedazos bajo la lluvia. Entonces, aunque PHEMA es el primero de su tipo en adhesión reversible, Yang reconoce que es solo un punto de partida.

"Con muchas cosas, no quieres usar agua. El agua tarda en difundirse. En el futuro, queremos encontrar el material adecuado que pueda cambiar la propiedad de esa manera, "dice Yang.

Los investigadores esperan eventualmente encontrar o diseñar adhesivos que puedan responder a señales como el pH, productos químicos específicos, luz, calor, o electricidad, ampliando las aplicaciones potenciales de la adhesión reversible.