El equipo de investigación de NTU, dirigido por el profesor K Jimmy Hsia, encontró una manera de maximizar la adhesión de los adhesivos inteligentes mediante el uso de polímeros con memoria de forma, que pueden pegarse y desprenderse fácilmente cuando sea necesario simplemente calentándolos.

Escribiendo el mes pasado en la revista National Science Review , el equipo detalla su avance en adhesión mediante el diseño del material polimérico con memoria de forma en forma de fibrillas similares a pelos.

Este adhesivo inteligente puede soportar pesos extremadamente pesados, lo que abre nuevas posibilidades para pinzas robóticas que permiten a los humanos escalar paredes sin esfuerzo, o robots trepadores que pueden aferrarse a los techos para aplicaciones de inspección o reparación.

El profesor Hsia, presidente de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial (MAE) de NTU y de la Escuela de Química, Ingeniería Química y Biotecnología, dijo:"Esta investigación se basa en una comprensión fundamental de los mecanismos de las fuerzas de adhesión en superficies rugosas. Puede ayudarnos a desarrollar adhesivos muy fuertes, pero fácilmente desmontables, adaptables a superficies rugosas. La tecnología será muy útil en pinzas adhesivas y robots trepadores y algún día podría permitir a los humanos escalar paredes como un Spider-Man de la vida real". P>

Los polímeros con memoria de forma son materiales que pueden conservar "recuerdos" de su forma anterior y volver a su forma original después de haber sido deformados mediante la aplicación de estímulos externos como calor, luz o corriente eléctrica. Estas propiedades los hacen ideales para usar como adhesivos intercambiables que pueden adaptarse a diversas superficies.

En sus pruebas, los investigadores utilizaron un polímero con memoria de forma llamado epoxi E44, un plástico rígido y parecido al vidrio a temperatura ambiente. Al calentarse, el material se convierte en un estado suave similar al caucho que puede adaptarse y fijarse en rincones y grietas microscópicas. A medida que se enfría, se vuelve vidrioso, creando uniones adhesivas extrafuertes debido al efecto de bloqueo de forma.

Cuando el material se recalienta, vuelve a su estado gomoso por lo que se puede retirar y desprender fácilmente de la superficie a la que estaba adherido.

Los investigadores descubrieron que la adhesión más eficaz procedía del diseño del polímero con memoria de forma en una serie de fibrillas similares a pelos. Cada fibrilla tuvo que diseñarse cuidadosamente:las fibrillas más grandes tenían una adhesión más débil, mientras que las fibrillas más pequeñas eran difíciles de fabricar y propensas a colapsar y degradarse. El punto óptimo tenía un radio de entre 0,5 mm y 3 mm, lo que supera los límites de la adhesión y al mismo tiempo conserva la integridad estructural.

En sus experimentos, los investigadores encontraron que una fibrilla con un diámetro de 19,6 mm ² Su sección transversal podía soportar cargas de hasta 1,56 kg. Cada fibrilla adicional permite soportar más peso. Un conjunto de 37 fibrillas del tamaño de la palma de la mano y que pesa unos 30 g puede contener un peso de 60 kg:el peso de un ser humano adulto.

El primer autor del artículo de investigación, el Dr. Linghu Changhong, investigador de NTU, dijo:"Nuestro adhesivo inteligente ejemplifica cómo los polímeros con memoria de forma pueden mantener e incluso mejorar la adhesión a medida que aumenta la rugosidad de la superficie. Esto supera la 'paradoja de la adhesión', que los científicos han estado desconcertando". encima, donde hay una disminución en la fuerza de adhesión en superficies rugosas a pesar de tener más superficie para que se adhieran las moléculas.

"Nuestras pruebas demostraron que la fuerza de adhesión del polímero aumenta junto con la rugosidad de la superficie cuando está en estado sólido y disminuye cuando está en estado gomoso."

El coautor correspondiente, el profesor Gao Huajian, ex profesor universitario distinguido de la Escuela de MAE de NTU y actualmente profesor de la Universidad de Xinghua en la Universidad de Tsinghua, dijo:"Para fines prácticos de agarre, el adhesivo debe ser lo suficientemente fuerte como para adherirse a una superficie, pero También se desprende fácilmente cuando es necesario cambiar entre los dos modos es vital para aplicaciones prácticas. Los adhesivos más fuertes pueden soportar cargas más pesadas, pero tienden a ser más difíciles de separar; esto es lo que llamamos un "conflicto de capacidad de conmutación".

"Nuestra investigación sobre polímeros con memoria de forma ha dado como resultado un adhesivo que puede endurecerse fácilmente para adherirse a superficies, y con la misma facilidad ablandar para desprenderse, y al mismo tiempo es capaz de soportar pesos pesados, incluido el de un ser humano".

El profesor Hsia añadió:"Los adhesivos de polímeros con memoria de forma que diseñamos superaron tanto la paradoja de la adhesión como el conflicto de la capacidad de conmutación, proporcionando pautas para desarrollar adhesivos más fuertes y más intercambiables que se adaptan a superficies rugosas".

Allanando el camino para el material de escalada pegajoso

Separar el polímero con memoria de forma mientras está adherido a una superficie en estado de vidrio requiere menos de un minuto de calentamiento con un secador de pelo para elevar la temperatura a 60°C. Por el contrario, para la fijación, el material tarda unos tres minutos en enfriarse completamente y fijarse en su lugar.

La temperatura a la que el polímero cambia de estado se puede controlar ajustando las proporciones de los componentes utilizados para formar el polímero. Esto permite que el polímero se utilice en entornos extremos, como condiciones climáticas cálidas. En sus pruebas, los investigadores establecieron la temperatura a la que el polímero se desprende en 60 °C, una temperatura que está fuera de las condiciones más cómodas del mundo real.

Esta capacidad del material para adherirse y desprenderse usando solo calor le permite actuar como un superpegamento reutilizable que no deja residuos pegajosos en las paredes. También se pueden utilizar como pinzas suaves capaces de adherirse a objetos con diversas texturas superficiales y sujetarlos de manera confiable durante períodos prolongados.

El Dr. Changhong dijo:"En esta etapa actual, los tiempos de calentamiento y enfriamiento, así como el cambio de temperatura, restringen la cantidad de casos de uso en el mundo real. Sin embargo, nuestros hallazgos muestran que es posible reducir los tiempos de espera a meros segundos, y las temperaturas de conmutación se pueden reducir hasta cerca de la temperatura corporal, lo que abre drásticamente las posibilidades de aplicación.

"Los estímulos para cambiar el material de un estado a otro también pueden ser diferentes, como por ejemplo utilizar corriente eléctrica o luz."

En el futuro, el equipo de investigación pretende reducir el tiempo de enfriamiento necesario para la adhesión. El equipo prevé que el adhesivo podría eventualmente usarse en equipos de escalada, como guantes y botas, que permitirán a los escaladores pegarse y escalar paredes. Los robots también podrían equiparse con el material para crear robots trepadores de paredes, que son útiles en muchas industrias como la construcción y la topografía de edificios.