Het NTU-onderzoeksteam, onder leiding van professor K Jimmy Hsia, heeft een manier gevonden om de hechting van de slimme lijmen te maximaliseren door polymeren met vormgeheugen te gebruiken, die gemakkelijk kunnen blijven plakken en loskomen wanneer dat nodig is, simpelweg door ze te verwarmen.

Schrijven vorige maand in het tijdschrift National Science Review , beschrijft het team hun doorbraak op het gebied van hechting door het polymeermateriaal met vormgeheugen te ontwerpen in de vorm van haarachtige fibrillen.

Deze slimme lijm kan extreem zware gewichten dragen, wat nieuwe mogelijkheden opent voor robotgrijpers waarmee mensen moeiteloos muren kunnen beklimmen, of voor klimrobots die zich aan plafonds kunnen vastklampen voor onderzoeks- of reparatietoepassingen.

Professor Hsia, President's Chair in Mechanical Engineering, NTU School of Mechanical &Aerospace Engineering (MAE) en School of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, zei:"Dit onderzoek is gebaseerd op een fundamenteel begrip van de mechanismen van adhesiekrachten op ruwe oppervlakken. Het kan ons helpen zeer sterke, maar toch gemakkelijk verwijderbare, lijmen te ontwikkelen die zich kunnen aanpassen aan ruwe oppervlakken. De technologie zal zeer nuttig zijn bij lijmgrijpers en klimrobots en zou mensen op een dag als een echte Spider-Man in staat kunnen stellen muren te beklimmen.'' P>

Polymeren met vormgeheugen zijn materialen die "herinneringen" aan hun vorige vorm kunnen vasthouden en naar hun oorspronkelijke vorm kunnen terugkeren nadat ze zijn vervormd door het toepassen van externe stimuli zoals hitte, licht of elektrische stroom. Deze eigenschappen maken ze ideaal om te worden gebruikt als schakelbare lijmen die zich aan verschillende oppervlakken kunnen aanpassen.

Bij hun tests gebruikten de onderzoekers een vormgeheugenpolymeer genaamd E44-epoxy, een stijf en glasachtig plastic bij kamertemperatuur. Bij verhitting verandert het materiaal in een zachte, rubberachtige toestand die zich kan aanpassen aan en zich kan hechten aan microscopisch kleine hoekjes en spleten. Terwijl het afkoelt, wordt het glazig, waardoor extra sterke lijmverbindingen ontstaan ​​dankzij een vormsluitend effect.

Wanneer het materiaal opnieuw wordt verwarmd, keert het terug naar zijn rubberachtige toestand, zodat het kan worden weggetrokken en gemakkelijk kan worden losgemaakt van het oppervlak waaraan het zich vastklampte.

De onderzoekers ontdekten dat de meest effectieve hechting voortkwam uit het ontwerpen van het vormgeheugenpolymeer in een reeks haarachtige fibrillen. Elke fibrillen moest zorgvuldig worden ontworpen:grotere fibrillen hadden een zwakkere adhesie, terwijl de kleinere fibrillen moeilijk te vervaardigen waren en vatbaar waren voor instorting en afbraak. De 'sweet spot' had een straal tussen 0,5 mm en 3 mm, waardoor de grenzen van de hechting werden verlegd terwijl de structurele integriteit behouden bleef.

In hun experimenten ontdekten de onderzoekers dat één fibril met een diameter van 19,6 mm ² doorsnede kan lasten tot 1,56 kg dragen. Elke extra fibril zorgt ervoor dat er meer gewicht kan worden ondersteund. Een reeks van 37 fibrillen ter grootte van een handpalm, die ongeveer 30 g wegen, kunnen een gewicht van 60 kg dragen:het gewicht van een volwassen mens.

De eerste auteur van het onderzoeksartikel, NTU Research Fellow Dr. Linghu Changhong, zei:"Onze slimme lijm is een voorbeeld van hoe polymeren met vormgeheugen de hechting kunnen behouden en zelfs kunnen verbeteren naarmate de oppervlakteruwheid toeneemt. Dit overwint de 'adhesieparadox', waar wetenschappers zich zorgen over maken. waar de hechtsterkte op ruwe oppervlakken afneemt, ondanks dat er meer oppervlak is waar moleculen zich aan kunnen hechten.

"Onze tests hebben aangetoond dat de adhesiesterkte van het polymeer toeneemt samen met de oppervlakteruwheid in vaste toestand en afneemt in rubberachtige toestand."

Co-corresponderend auteur Professor Gao Huajian, voorheen een Distinguished University Professor van NTU's School of MAE en momenteel Xinghua University Professor aan de Tsinghua University, zei:"Voor praktische gripdoeleinden moet de lijm sterk genoeg zijn om op een oppervlak te plakken, maar toch ook gemakkelijk los te maken wanneer dat nodig is. Schakelen tussen de twee modi is van cruciaal belang voor praktische toepassingen. Sterkere lijmen kunnen zwaardere belastingen verdragen, maar zijn doorgaans moeilijker los te maken. Dit noemen we een 'schakelbaarheidsconflict'.

"Ons onderzoek naar polymeren met vormgeheugen heeft geresulteerd in een lijm die gemakkelijk kan uitharden om op oppervlakken te plakken, en net zo gemakkelijk zacht kan worden om los te laten, terwijl hij tegelijkertijd zware gewichten kan dragen, inclusief die van een mens."

Professor Hsia voegde hieraan toe:"De polymeerkleefstoffen met vormgeheugen die we hebben ontworpen, hebben zowel de adhesieparadox als het schakelbaarheidsconflict overwonnen en bieden richtlijnen voor de ontwikkeling van sterkere en beter schakelbare lijmen die zich kunnen aanpassen aan ruwe oppervlakken."

De weg vrijmaken voor plakkerige klimuitrusting

Het losmaken van het vormgeheugenpolymeer terwijl het aan een oppervlak in glas is bevestigd, vergt minder dan een minuut verwarmen met een föhn om temperaturen tot 60°C te brengen. Omgekeerd duurt het bij bevestiging ongeveer drie minuten voordat het materiaal volledig is afgekoeld en op zijn plaats is vergrendeld.

De temperatuur waarbij het polymeer van toestand verandert, kan worden geregeld door de verhoudingen aan te passen van de componenten die worden gebruikt om het polymeer te vormen. Hierdoor kan het polymeer worden gebruikt in extreme omgevingen, zoals warme weersomstandigheden. Tijdens hun tests hebben de onderzoekers de temperatuur waarbij het polymeer loslaat ingesteld op 60°C, een temperatuur die buiten de meest comfortabele omstandigheden in de echte wereld valt.

Door het vermogen van het materiaal om zich alleen met warmte te hechten en los te maken, kan het fungeren als een herbruikbare superlijm die geen kleverige resten op de muren achterlaat. Het kan ook worden gebruikt als zachte grijpers die voorwerpen met verschillende oppervlaktestructuren kunnen vasthouden en deze gedurende langere perioden betrouwbaar kunnen vasthouden.

Dr. Changhong zei:"In dit huidige stadium beperken de verwarmings- en afkoeltijden, evenals de schakeltemperatuur, het aantal praktijkgevallen. Onze bevindingen tonen echter aan dat het mogelijk is de wachttijden terug te brengen tot slechts enkele seconden, en de schakeltemperaturen kunnen worden verlaagd tot bijna lichaamstemperatuur, waardoor de toepassingsmogelijkheden dramatisch worden geopend.

"De stimuli om het materiaal van de ene toestand naar de andere te brengen kunnen ook verschillend zijn, zoals het gebruik van elektrische stroom of licht."

In de toekomst wil het onderzoeksteam de koeltijd die nodig is voor hechting verkorten. Het team voorziet dat de lijm uiteindelijk kan worden gebruikt in klimuitrusting, zoals handschoenen en laarzen, waarmee klimmers zich aan muren kunnen hechten en deze kunnen beklimmen. Robots kunnen ook worden uitgerust met het materiaal om muurklimrobots te maken, die nuttig zijn in veel sectoren, zoals de bouw en de landmeetkunde.

Meer informatie: Changhong Linghu et al, Fibrillar-kleefstoffen met ongekende adhesiesterkte, schakelbaarheid en schaalbaarheid, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae106

Geleverd door Nanyang Technologische Universiteit