Se hai mai premuto una striscia per appendere un quadro sul muro solo per accorgerti che è leggermente decentrata, conosci la delusione dietro l'adesione come la sperimentiamo di solito:può essere forte, ma è per lo più irreversibile. Mentre puoi staccare la striscia usata dal muro, non puoi riattivare la sua viscosità per regolarne il posizionamento; devi ricominciare da capo con una nuova striscia o tollerare il tuo errore. Al di là della sua rilevanza per la decorazione d'interni, durevole, l'adesione reversibile potrebbe consentire buste riutilizzabili, stivali che sfidano la gravità, e applicazioni industriali più pesanti come l'assemblaggio di automobili.

Tale adesione è sfuggita agli scienziati per anni, ma si trova naturalmente nella bava di lumaca.

L'epiframma di una lumaca, uno strato viscido di umidità che può indurirsi per proteggere il suo corpo dalla secchezza, consente alla lumaca di cementarsi sul posto per lunghi periodi di tempo, rendendolo il modello definitivo in termini di adesione che può essere attivato e disattivato secondo necessità.

In un nuovo studio, Penn Engineers dimostra un forte, adesivo reversibile che utilizza gli stessi meccanismi delle lumache.

Shu Yang, docente presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, ha condotto lo studio insieme a Hyesung Cho, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Yang che ora è al Korea Institute of Science and Technology, e gli studenti laureati della Penn Engineering Gaoxiang Wu e Jason Christopher Jolly. Anche il membro del laboratorio Yuchong Gao ha partecipato alla ricerca. Il team includeva anche collaboratori della Lehigh University:il professore di ingegneria Anand Jagota, ricercatore post-dottorato Zhenping He, e la studentessa laureata Nicole Fortoul.

Lo studio è stato pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Yang e i suoi membri del laboratorio hanno una storia nel tradurre ciò che la natura crea attraverso l'evoluzione nell'ambiente di laboratorio. Yang ha condotto studi su strutture su nanoscala ispirate a vongole giganti, farfalle, e polline, ed è il direttore dell'AESOP, il Centro per l'Analisi delle Strutture Evolute come Prodotti Ottimizzati, che mira ad applicare proprietà bioispirate al design e all'architettura.

Secondo Yang, lei e il suo laboratorio sono interessati agli adesivi da un po', ma il modello predominante per gli adesivi reversibili nel mondo naturale, gechi, non li stavano portando abbastanza lontano:

"I gechi possono abbassare una mano e poi rilasciarla, quindi l'adesione del geco è reversibile, ma è un'adesione molto bassa, " Yang dice. "Un geco è di 50 grammi, e un essere umano pesa almeno 50 chilogrammi. Se vuoi tenere un umano su un muro, non è possibile utilizzare lo stesso adesivo. Potresti usare un aspirapolvere, ma devi portare una pompa del vuoto ingombrante. Ci stiamo lavorando da molto tempo, e così anche altre persone. E nessuno potrebbe avere una soluzione migliore per ottenere un'adesione simile alla supercolla ma anche essere reversibile".

La svolta è arrivata un giorno quando Gaoxiang Wu stava lavorando a un altro progetto che coinvolgeva un idrogel costituito da un polimero chiamato poliidrossietilmetacrilato (PHEMA) e ha notato le sue insolite proprietà adesive. PHEMA è gommoso quando è bagnato ma rigido quando è asciutto, una qualità che lo rende utile per le lenti a contatto ma anche, come ha scoperto la squadra di Yang, per adesivi.

Quando PHEMA è bagnato, si adatta a tutte le piccole scanalature su una superficie, dalle creste distinte di un tronco d'albero alla microporosità invisibile di una parete apparentemente liscia. Questo contatto conforme è ciò che consente a PHEMA di aderire a una superficie.

"È come quei giocattoli d'infanzia che getti sul muro e si attaccano. Questo perché sono molto morbidi. Immagina un foglio di plastica su un muro; si stacca facilmente. Ma le cose morbide si adatteranno alle cavità, "dice Yang.

Solo, questa capacità di adattarsi alle cavità non è sufficiente per realizzare un buon adesivo. Ciò che conta davvero è cosa succede quando il materiale inizia ad asciugarsi. Mentre PHEMA si asciuga, diventa rigido come un tappo di bottiglia di plastica, ma, in modo univoco, non si restringe. Anziché, il materiale si indurisce nelle cavità, fissandosi saldamente alla superficie.

"Quando i materiali si asciugano, di solito si restringono. Se si ritira dalla superficie, non vuole più conformarsi alle microcavità e salterà fuori, " dice Yang. "Il nostro adesivo PHEMA non fuoriesce. Rimane conforme. Ricorda la forma anche quando è asciutta e rigida."

Queste proprietà che hanno aiutato il team di Yang a identificare PHEMA come un candidato unico per reversibile, forte adesione sono le stesse proprietà che si trovano nell'epiframma di una lumaca. In un giorno di sole, l'epiframma viscido di una lumaca, inizialmente bagnato, si adatta alla superficie su cui si trova e si indurisce, barricando la lumaca dall'ambiente secco e tenendo saldamente la lumaca in posizione. Di notte, quando l'ambiente diventa umido, l'epiframma si addolcisce, permettendo alla lumaca di muoversi di nuovo liberamente.

Questa reversibilità tra flessibilità a umido e adesione a secco è ciò che i ricercatori hanno voluto mettere alla prova con PHEMA. Il team ha eseguito diversi test sul proprio idrogel PHEMA, valutando la sua capacità di trattenere il peso e il tempo necessario all'acqua per infiltrarsi nell'adesivo e invertire la sua presa. Hanno scoperto che PHEMA ha agito in modo notevolmente simile all'epiframma della lumaca. Era 89 volte più forte dell'adesione del geco, ma la sua presa si rompeva facilmente quando si bagnava.

"Quando è conforme e rigido, è come una super colla. Non puoi tirarlo fuori. Ma, magicamente, puoi bagnarlo di nuovo, e scivola via senza sforzo, " dice Yang. "Inoltre, PHEMA non perde la sua forte adesione quando viene scalato. Generalmente, c'è una correlazione negativa tra forza di adesione e dimensione. Poiché PHEMA non dipende da una struttura fragile, non ha questo problema".

Per dimostrare quanto sia resistente il loro adesivo PHEMA, uno dei membri del laboratorio di Yang e co-primo autore, Jason Christopher Jolly, si offrì volontario di appendersi a un'imbracatura sostenuta solo da una pezza del loro adesivo grande quanto un francobollo; il materiale reggeva facilmente il peso di un intero corpo umano. Sulla base dei test di laboratorio, la squadra ha stabilito che, anche se PHEMA potrebbe non essere l'adesivo più forte esistente, è attualmente il candidato conosciuto più forte disponibile per l'adesione reversibile.

Con quel tipo di potere, l'adesivo alla bava di lumaca potrebbe avere un grande impatto sia in campo scientifico che industriale. Yang vede durevole, adesivi reversibili come il suo idrogel PHEMA che hanno un enorme potenziale per i prodotti per la casa, sistemi robotici, e montaggio industriale.

"Il montaggio dell'auto utilizza adesivi, e, Puoi immaginare, se ci sono errori nel mettere insieme le parti, l'adesivo si è indurito e le parti sono rovinate, " Yang dice. "Una macchina è piuttosto grande. Di solito non incollano le cose insieme fino all'ultimo passaggio, e hai bisogno di un forno delle dimensioni di una stanza per ospitare l'auto e curare gli adesivi. Un adesivo forte e reversibile come PHEMA potrebbe cambiare completamente il processo di assemblaggio dell'auto e risparmiare denaro perché gli errori non sarebbero così costosi".

Nonostante la sua promessa in applicazioni come la produzione pesante, PHEMA non è adatto alla maggior parte delle industrie perché la sua reversibilità è controllata dall'acqua. Mentre l'acqua è il meccanismo di controllo perfetto per una lumaca, non vorresti che la tua auto cadesse a pezzi sotto la pioggia. Così, sebbene PHEMA sia il primo del suo genere nell'adesione reversibile, Yang riconosce che è solo un punto di partenza.

"Con tante cose, non vuoi usare l'acqua. L'acqua richiede tempo per diffondersi. Nel futuro, vogliamo trovare il materiale giusto che possa cambiare la proprietà in questo modo, "dice Yang.

I ricercatori sperano di trovare o progettare adesivi in ​​grado di rispondere a segnali come pH, prodotti chimici specifici, leggero, calore, o elettricità, ampliare le potenziali applicazioni dell'adesione reversibile.