Dankzij speciale kleefelementen op hun voeten, gekko's, spinnen en kevers kunnen gemakkelijk langs plafonds of muren rennen. De wetenschap van de bionica heeft geprobeerd om dergelijke bio-geïnspireerde vaardigheden voor technologische toepassingen en het maken van kunstmatige materialen te imiteren en te beheersen. Een onderzoeksteam van de Kiel University (CAU) is er nu in geslaagd om de kleefkracht van een siliconenmateriaal aanzienlijk te versterken. Om dit te doen, ze combineerden twee methoden:ten eerste, ze structureerden het oppervlak op microschaal naar het voorbeeld van keverpootjes, en daarna behandeld met plasma. In aanvulling, ze ontdekten dat de kleefkracht van het gestructureerde materiaal drastisch verandert als het in verschillende mate wordt gebogen. Onder andere toepassingsgebieden, hun resultaten kunnen van toepassing zijn op de ontwikkeling van kleine robots en grijpapparaten. Ze zijn gepubliceerd in de laatste edities van de wetenschappelijke tijdschriften Geavanceerde materialen en ACS toegepaste materialen en interfaces .

Elastische kunststoffen zoals siliconenelastomeren zijn erg populair in de industrie. Ze zijn flexibel, herbruikbaar, goedkoop en gemakkelijk te produceren. Ze worden daarom gebruikt als afdichtingen, voor isolatie, en als corrosiebescherming. Echter, vanwege hun lage oppervlakte-energie, ze zijn nauwelijks zelfklevend. Dit maakt het moeilijk om siliconen oppervlakken te schilderen, bijvoorbeeld.

Professor Stanislav N. Gorb en Emre Kizilkan van de werkgroep Functionele Morfologie en Biomechanica onderzoeken hoe de adhesieve eigenschappen van siliconenelastomeren kunnen worden verbeterd. Hun voorbeeld om na te bootsen is de oppervlaktestructuur van bepaalde mannelijke bladkevers (Chrysomelidae), lijken op paddestoelen. In twee recente onderzoeken ze ontdekten dat siliconenelastomeren het beste hechten als hun oppervlak wordt gemodificeerd tot paddestoelachtige structuren en daarna specifiek met plasma wordt behandeld. Het elektrisch geladen gas is een vierde toestand van materie naast vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. Dus, de onderzoekers combineerden geometrische en chemische methoden om de biologie te imiteren. In aanvulling, ze toonden aan dat de mate van kromming van de materialen hun hechting beïnvloedt.

"Dieren en planten bieden ons een schat aan ervaring over een aantal ongelooflijke functies. We willen de mechanismen erachter overbrengen naar kunstmatige materialen, hun gedrag gericht kunnen sturen, " zei de zoöloog Gorb. Hun doel van omkeerbare hechting in het microbereik zonder traditionele lijm zou volledig nieuwe toepassingen denkbaar kunnen maken, bijvoorbeeld, in micro-elektronica.

Tijdens experimentele tests zijn siliconen gebogen

In een eerste stap, het onderzoeksteam vergeleek siliconenelastomeren van drie verschillende oppervlakken:een ongestructureerd, een met pilaarvormige elementen en een derde met een paddestoelachtige structuur. Met behulp van een micromanipulator, ze plakten een glazen bol op de oppervlakken en verwijderden deze vervolgens weer. Ze testten hoe de hechting verandert wanneer de materialen met microgestructureerde oppervlakken convex (naar binnen) en concaaf (naar buiten) worden gebogen. "Op deze manier, we hebben kunnen aantonen dat siliconenmaterialen met een paddestoelachtige structuur en gebogen concaaf het dubbele bereik van kleefkracht hebben, " zei doctoraal onderzoeker Emre Kizilkan, eerste auteur van de studie. "Met deze oppervlaktestructuur, we kunnen de hechting van materialen het meest variëren en beheersen."

In een tweede stap, de wetenschappers behandelden de siliconenelastomeren met plasma's. Deze methode wordt normaal gesproken gebruikt om plastic materialen te functionaliseren, om hun oppervlakte-energie te verhogen en hun kleefeigenschappen te verbeteren. In vergelijking met andere methoden waarbij vloeistoffen worden gebruikt, plasmabehandelingen kunnen een langere levensduur beloven, maar ze beschadigen vaak de oppervlakken van materialen.

Om erachter te komen hoe plasmabehandelingen de hechting van een materiaal aanzienlijk kunnen verbeteren zonder het te beschadigen, de wetenschappers varieerden verschillende parameters, zoals de duur of de druk. Ze ontdekten dat de hechting van ongestructureerde oppervlakken op een glassubstraat met ongeveer 30 procent toenam na plasmabehandeling. Op het paddenstoelachtige gestructureerde oppervlak, de hechting nam zelfs toe tot 91 procent. "Deze bevindingen hebben ons vooral verrast, omdat het gestructureerde oppervlak maar half zo groot is als het ongestructureerde, maar de adhesieverbetering was drie keer beter na de plasmabehandeling, " legde Kizilkan uit.

Wat er gebeurt als de behandelde en niet-behandelde gestructureerde oppervlakken van het glassubstraat worden verwijderd, tonen de opnames met een hogesnelheidscamera:vanwege de hogere oppervlakte-energie, de met plasma behandelde microstructuur blijft 50,6 seconden volledig in contact met het oppervlak van het glas. Echter, het contactoppervlak van de onbehandelde microstructuur wordt tijdens het verwijderingsproces snel met ongeveer een derde verminderd, daarom laat de microstructuur al na 33 seconden volledig los van het glassubstraat (Figuur 3).

"We hebben dan ook op een heel klein oppervlak een extreem sterke hechting met een groot bereik, ", zegt Kizilkan. Dit maakt de resultaten vooral interessant voor kleinschalige toepassingen zoals microrobots. De bevindingen van de Kiel-werkgroep hebben al geleid tot de ontwikkeling van een oersterk plakband, die werkt volgens het "gekko-principe, " en kan worden verwijderd zonder resten achter te laten.