Grazie a speciali elementi adesivi sui loro piedi, gechi, ragni e coleotteri possono facilmente correre lungo i soffitti o le pareti. La scienza della bionica ha tentato di imitare e controllare tali abilità bio-ispirate per le applicazioni tecnologiche e la creazione di materiali artificiali. Un team di ricerca dell'Università di Kiel (CAU) è ora riuscito a potenziare in modo significativo l'effetto adesivo di un materiale in silicone. Fare così, hanno combinato due metodi:primo, hanno strutturato la superficie alla microscala sull'esempio dei piedi di scarabeo, e successivamente lo ha trattato con il plasma. Inoltre, hanno scoperto che l'adesività del materiale strutturato cambia drasticamente se viene piegato a vari gradi. Tra gli altri campi di applicazione, i loro risultati potrebbero applicarsi allo sviluppo di minuscoli robot e dispositivi di presa. Sono stati pubblicati nelle ultime edizioni delle riviste scientifiche Materiale avanzato e Materiali e interfacce applicati ACS .

I materiali sintetici elastici come gli elastomeri siliconici sono molto popolari nell'industria. sono flessibili, riutilizzabile, economico e facile da produrre. Sono quindi usati come sigilli, per isolamento, e come protezione contro la corrosione. Però, a causa della loro bassa energia superficiale, non sono affatto adesivi. Ciò rende difficile la verniciatura di superfici in silicone, Per esempio.

Il professor Stanislav N. Gorb e Emre Kizilkan del gruppo di lavoro sulla morfologia funzionale e la biomeccanica stanno studiando come migliorare le proprietà adesive degli elastomeri di silicone. Il loro esempio da imitare è la struttura superficiale di alcuni coleotteri maschi (Chrysomelidae), sembrano funghi. In due recenti studi, hanno scoperto che gli elastomeri siliconici aderiscono meglio se la loro superficie viene modificata in strutture a forma di fungo e successivamente trattati in modo specifico con plasma. Il gas caricato elettricamente è un quarto stato della materia insieme ai solidi, liquidi e gas. Così, i ricercatori hanno combinato metodi geometrici e chimici per imitare la biologia. Inoltre, hanno dimostrato che il grado di curvatura dei materiali influisce sulla loro adesione.

"Animali e piante ci forniscono una vasta esperienza su alcune caratteristiche incredibili. Vogliamo trasferire i meccanismi dietro di loro a materiali artificiali, poter controllare il proprio comportamento in modo mirato, " ha detto lo zoologo Gorb. Il loro obiettivo di adesione reversibile nella gamma micro senza colla tradizionale potrebbe rendere concepibili applicazioni completamente nuove, ad esempio, nella microelettronica.

Durante i test sperimentali i siliconi vengono curvati

In un primo passo, il team di ricerca ha confrontato elastomeri siliconici di tre diverse superfici:una non strutturata, uno con elementi a pilastro e un terzo con struttura a fungo. Utilizzando un micro-manipolatore, hanno attaccato una palla di vetro sulle superfici e poi l'hanno rimossa di nuovo. Hanno testato come cambia l'adesione quando i materiali con superfici microstrutturate vengono piegati convessi (verso l'interno) e concavi (verso l'esterno). "In questo modo, siamo stati in grado di dimostrare che i materiali siliconici con una struttura a fungo e concavo curvo hanno la doppia gamma di forza adesiva, " ha detto il ricercatore di dottorato Emre Kizilkan, primo autore dello studio. "Con questa struttura superficiale, possiamo variare e controllare al meglio l'adesione dei materiali."

In un secondo passaggio, gli scienziati hanno trattato gli elastomeri di silicone con i plasmi. Questo metodo viene normalmente utilizzato per funzionalizzare materiali plastici, al fine di aumentare la loro energia superficiale e migliorare le loro proprietà adesive. Rispetto ad altri metodi che utilizzano liquidi, i trattamenti al plasma possono promettere una maggiore longevità, tuttavia, spesso danneggiano le superfici dei materiali.

Per scoprire come i trattamenti al plasma possono migliorare sensibilmente l'adesione di un materiale senza danneggiarlo, gli scienziati hanno variato parametri diversi, come la durata o la pressione. Hanno scoperto che l'adesione di superfici non strutturate su un substrato di vetro è aumentata di circa il 30 percento dopo il trattamento al plasma. Sulla superficie strutturata a fungo, l'adesione è addirittura aumentata fino al 91 percento. "Questi risultati ci hanno particolarmente sorpreso, perché la superficie strutturata è grande solo la metà di quella non strutturata, ma il miglioramento dell'adesione era tre volte migliore dopo il trattamento al plasma, " ha spiegato Kizilkan.

Cosa succede quando le superfici strutturate trattate e non trattate vengono rimosse dal substrato di vetro mostrano le registrazioni con una telecamera ad alta velocità:A causa della sua maggiore energia superficiale, la microstruttura trattata al plasma rimane completamente a contatto con la superficie del vetro per 50,6 secondi. Però, l'area di contatto della microstruttura non trattata si riduce rapidamente di circa un terzo durante il processo di rimozione, motivo per cui la microstruttura si stacca completamente dal substrato di vetro già dopo 33 secondi (Figura 3).

"Abbiamo quindi su un'area molto piccola un'adesione estremamente forte con una vasta gamma, " afferma Kizilkan. Ciò rende i risultati particolarmente interessanti per applicazioni su piccola scala come i microrobot. I risultati del gruppo di lavoro di Kiel hanno già portato allo sviluppo di un nastro adesivo estremamente resistente, che funziona secondo il "principio del geco, " e può essere rimosso senza lasciare alcun residuo.