Geckos, arañas y escarabajos nos han enseñado cómo hacerlo: gracias a elementos adhesivos especiales en sus pies, pueden correr fácilmente a lo largo de techos o paredes. La ciencia de la biónica trata de imitar y controlar tales funciones biológicas, para aplicaciones tecnológicas yla creación de materiales artificiales. Un equipo de investigación de la Universidad de Kiel CAU ahora ha logrado aumentar significativamente el efecto adhesivo de un material de silicona. Para ello, combinaron dos métodos: Primero, estructuraron la superficie en la micro escala basada en elejemplo de patas de escarabajo, y luego tratadas 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 ser interesantes para el desarrollode pequeños robots y dispositivos de agarre. Han sido publicados en las últimas ediciones de las revistas científicas Materiales avanzados y Materiales aplicados e interfaces ACS .
Los materiales sintéticos elásticos, como los elastómeros de silicona, son muy populares en la industria. Son flexibles, reutilizables, baratos y fáciles de producir. Por lo tanto, se usan como sellos, aislamiento o protección contra la corrosión. Sin embargo, debido a subaja energía superficial, apenas son adhesivos. Esto dificulta, por ejemplo, pintar superficies de silicona.
Las superficies con una microestructura similar a un hongo se adhieren mucho mejor
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 Chrysomelidae, que parecen hongosEn dos estudios recientes, descubrieron que los elastómeros de silicona se adhieren mejor si su superficie se modifica en estructuras similares a hongos y, posteriormente, se trata específicamente con plasma. El gas cargado eléctricamente, que es el cuarto estado de la materia, junto con los sólidos, líquidos y gases.Por lo tanto, los investigadores combinaron un método geométrico y uno químico para imitar la biología. Además, mostraron que el grado de curvatura de los materiales afecta su adhesión.
"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 una manera específica", dijo el zoólogo Gorb. Su objetivoUna adhesión reversible en el rango micro sin pegamento tradicional podría hacer posibles posibilidades de aplicación completamente nuevas, por ejemplo en microelectrónica.
Durante las pruebas experimentales, las siliconas son curvas
En un primer paso, el equipo de investigación comparó elastómeros de silicona de tres superficies diferentes: una no estructurada, una con elementos en forma de pilar y una tercera con una estructura similar a un hongo. Usando un micro manipulador, pegaron una bola de vidrio en elsuperficies y luego lo retiraron nuevamente. Probaron cómo cambia la adhesión cuando los materiales con superficies microestructuradas se doblan convexos hacia adentro y cóncavos hacia afuera. "De esta manera, pudimos demostrar que los materiales de silicona con una estructura tipo hongoy cóncavo curvo tienen el doble rango de fuerza adhesiva ", dijo el investigador doctoral Emre Kizilkan, primer autor del estudio." Con esta estructura de superficie, podemos variar y controlar la adhesión de los materiales al máximo ".
Parámetros exactos para el tratamiento de plasma con materiales amigables
En un segundo paso, los científicos trataron los elastómeros de silicona con plasmas. Este método se usa normalmente para funcionalizar materiales plásticos, a fin de aumentar su energía superficial y mejorar sus propiedades adhesivas. En comparación con otros métodos que usan líquidos, tratamientos con plasmapuede 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 en un sustrato de vidrio aumentó en aproximadamente 30% después del tratamiento con plasma. En la superficie estructurada tipo hongo, la adhesión incluso aumentó hasta un 91% ". 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 incluso tres veces mejordespués del tratamiento con plasma ", explicó Kizilkan.
Lo que 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 vidriodurante 50,6 segundos. Sin embargo, el área de contacto de la microestructura no tratada se reduce rápidamente en aproximadamente un tercio durante el proceso de extracción, por lo que la microestructura se desprende completamente del sustrato de vidrio después de 33 segundos Figura 3.
Especialmente adecuado para aplicaciones en microelectrónica
"Por lo tanto, tenemos en un área muy pequeña una adhesión extremadamente fuerte con una amplia gama", resume el científico de materiales Kizilkan. Esto hace que los resultados sean especialmente interesantes para aplicaciones a pequeña escala como los micro-robots. Los resultados del trabajo de KielEl grupo ya ha dado como resultado el desarrollo de una cinta adhesiva extremadamente resistente, que funciona de acuerdo con el "principio gecko" y se puede quitar sin dejar ningún residuo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Kiel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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