Als je ooit een foto-ophangstrip tegen de muur hebt gedrukt om te beseffen dat hij een beetje uit het midden is, u kent de teleurstelling achter adhesie zoals we die doorgaans ervaren:het kan sterk zijn, maar het is meestal onomkeerbaar. Terwijl u de gebruikte strip van de muur kunt halen, je kunt de plakkerigheid niet weer inschakelen om de plaatsing aan te passen; je moet opnieuw beginnen met een nieuwe strip of je fout tolereren. Naast zijn relevantie voor interieurdecoratie, duurzaam, omkeerbare hechting kan herbruikbare enveloppen mogelijk maken, zwaartekracht tartende laarzen, en meer zware industriële toepassingen zoals automontage.

Een dergelijke hechting is wetenschappers al jaren ontgaan, maar wordt van nature aangetroffen in slakkenslijm.

Het epifragma van een slak - een slijmerige laag vocht die kan uitharden om zijn lichaam tegen uitdroging te beschermen - zorgt ervoor dat de slak zichzelf gedurende lange tijd op zijn plaats kan cementeren, waardoor het het ultieme model in hechting is dat naar behoefte kan worden in- en uitgeschakeld.

In een nieuwe studie, Penn Engineers demonstreren een sterke, omkeerbare lijm die dezelfde mechanismen gebruikt als slakken.

Shu Yang, hoogleraar bij de afdeling Materials Science and Engineering en bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering, leidde de studie samen met Hyesung Cho, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Yang, nu verbonden aan het Korea Institute of Science and Technology, en Penn Engineering afgestudeerde studenten Gaoxiang Wu en Jason Christopher Jolly. Lab-lid Yuchong Gao nam ook deel aan het onderzoek. Het team omvatte ook medewerkers van Lehigh University:Engineering professor Anand Jagota, postdoctoraal onderzoeker Zhenping He, en afgestudeerde studente Nicole Fortoul.

De studie werd gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Yang en haar laboratoriumleden hebben een geschiedenis in het vertalen van wat de natuur door evolutie creëert naar de laboratoriumomgeving. Yang heeft studies geleid naar structuren op nanoschaal die zijn geïnspireerd op gigantische mosselen, vlinders, en stuifmeel, en is de directeur van AESOP, het Centrum voor het analyseren van geëvolueerde structuren als geoptimaliseerde producten, die tot doel heeft bio-geïnspireerde eigenschappen toe te passen op design en architectuur.

Volgens Yang, zij en haar lab zijn al een tijdje geïnteresseerd in lijmen, maar het overheersende model voor omkeerbare lijmen in de natuurlijke wereld, gekko's, ze kwamen niet ver genoeg:

"Gekko's kunnen één hand neerleggen en dan loslaten, dus de hechting van de gekko is omkeerbaar, maar het heeft een zeer lage hechting, " zegt Yang. "Een gekko is 50 gram, en een mens is minstens 50 kilogram. Als je een mens aan een muur wilt vasthouden, het is niet mogelijk om dezelfde lijm te gebruiken. Je zou een vacuüm kunnen gebruiken, maar je moet een omslachtige vacuümpomp dragen. We zijn hier al lang mee bezig, en dat geldt ook voor andere mensen. En niemand zou een betere oplossing kunnen hebben om superlijmachtige hechting te bereiken, maar ook omkeerbaar zijn."

De doorbraak kwam op een dag toen Gaoxiang Wu aan een ander project werkte met een hydrogel gemaakt van een polymeer genaamd polyhydroxyethylmethacrylaat (PHEMA) en de ongebruikelijke hechtende eigenschappen ervan opmerkte. PHEMA is rubberachtig als het nat is, maar stijf als het droog is, een kwaliteit die het nuttig maakt voor contactlenzen, maar ook voor zoals Yang's team ontdekte, voor lijmen.

Als PHEMA nat is, het voldoet aan alle kleine groeven op een oppervlak, van de duidelijke richels van een boomstam tot de onzichtbare microporositeit van een schijnbaar gladde muur. Dit conforme contact zorgt ervoor dat PHEMA aan een oppervlak blijft kleven.

"Het is net dat kinderspeelgoed dat je op de muur gooit en dat blijft plakken. Dat komt omdat ze heel zacht zijn. Stel je een plastic folie voor aan een muur; het komt er gemakkelijk af. Maar squishy dingen zullen zich aanpassen aan de holtes, " zegt Yang.

Alleen, dit vermogen om zich aan holtes aan te passen is niet voldoende om een ​​goede lijm te maken. Wat er echt toe doet, is wat er gebeurt als het materiaal begint te drogen. Terwijl PHEMA droogt, het wordt zo stijf als een plastic flesdop, maar, uniek, het krimpt niet. In plaats daarvan, het materiaal hardt uit in de holtes, zich stevig aan het oppervlak vastmaakt.

"Als materialen drogen, ze krimpen meestal. Als het van het oppervlak krimpt, het wil niet langer voldoen aan de microholtes en het zal eruit springen, " zegt Yang. "Onze PHEMA-lijm springt er niet uit. Het blijft conform. Het onthoudt de vorm, zelfs als het droog en stijf is."

Deze eigenschappen hielpen het team van Yang om PHEMA te identificeren als een unieke kandidaat voor omkeerbaar, sterke hechting zijn dezelfde eigenschappen als in het epifragma van een slak. Op een zonnige dag, het slijmerige epifragma van een slak, aanvankelijk nat, past zich aan het oppervlak aan en wordt hard, de slak barricaderen van de droge omgeving en de slak stevig op zijn plaats houden. 's Nachts, wanneer de omgeving vochtig wordt, het epifragma verzacht, zodat de slak weer vrij kan bewegen.

Die omkeerbaarheid tussen natte flexibiliteit en droge hechting wilden de onderzoekers met PHEMA op de proef stellen. Het team voerde verschillende tests uit op hun PHEMA-hydrogel, het evalueren van het vermogen om gewicht te houden en de tijd die nodig is voor water om de lijm te infiltreren en de grip om te keren. Ze ontdekten dat PHEMA opmerkelijk veel op het slak-epifragma leek. Het was 89 keer sterker dan gekko-adhesie, maar het houvast brak gemakkelijk als het nat werd.

"Als het conform en rigide is, het is als superlijm. Je kunt het er niet af trekken. Maar, magisch, je kunt het opnieuw bevochtigen, en het glijdt moeiteloos weg, " zegt Yang. "Bovendien, PHEMA verliest zijn sterke hechting niet bij opschaling. Gebruikelijk, er is een negatieve correlatie tussen hechtsterkte en grootte. Aangezien PHEMA niet afhankelijk is van een fragiele structuur, het heeft dat probleem niet."

Om aan te tonen hoe duurzaam hun PHEMA-lijm is, een van Yang's lableden en co-eerste auteur, Jason Christopher Jolly, bood aan om zichzelf op te hangen aan een harnas dat alleen werd opgehouden door een plakje ter grootte van een postzegel; het materiaal hield gemakkelijk het gewicht van een heel menselijk lichaam. Op basis van de laboratoriumtesten, het team heeft vastgesteld dat hoewel PHEMA misschien niet de sterkste lijm is die er bestaat, het is momenteel de sterkste bekende kandidaat die beschikbaar is voor omkeerbare hechting.

Met dat soort kracht, de slakkenlijmlijm zou een grote impact kunnen hebben op zowel het wetenschappelijke veld als in de industrie. Yang ziet duurzaam, omkeerbare lijmen zoals haar PHEMA-hydrogel hebben een enorm potentieel voor huishoudelijke producten, robotsystemen, en industriële montage.

"Automontage maakt gebruik van lijmen, en, je kunt je voorstellen, als er fouten zijn bij het in elkaar zetten van onderdelen, de lijm is uitgehard en de onderdelen zijn geruïneerd, ' zegt Yang. 'Een auto is best groot. Meestal lijmen ze de dingen pas bij de laatste stap aan elkaar, en je hebt een oven ter grootte van een kamer nodig om de auto te hosten en de lijmen uit te harden. Een lijm die sterk en omkeerbaar is, zoals PHEMA, kan het proces van autoassemblage volledig veranderen en geld besparen omdat fouten niet zo duur zouden zijn."

Ondanks zijn belofte in toepassingen zoals zware productie, PHEMA is niet geschikt voor de meeste industrieën omdat de omkeerbaarheid wordt gecontroleerd door water. Terwijl water het perfecte controlemechanisme is voor een slak, je zou niet willen dat je auto uit elkaar valt in de regen. Dus, hoewel PHEMA de eerste in zijn soort is in omkeerbare hechting, Yang erkent dat het slechts een beginpunt is.

"Met veel dingen je wilt geen water gebruiken. Water heeft tijd nodig om te diffunderen. In de toekomst, we willen het juiste materiaal vinden dat de eigenschap zo kan veranderen, " zegt Yang.

De onderzoekers hopen uiteindelijk lijmen te vinden of te ontwikkelen die kunnen reageren op signalen zoals pH, specifieke chemicaliën, licht, warmte, of elektriciteit, verbreding van de potentiële toepassingen van omkeerbare hechting.