Il gruppo di ricerca NTU, guidato dal professor K Jimmy Hsia, ha trovato un modo per massimizzare l'adesione degli adesivi intelligenti utilizzando polimeri a memoria di forma, che possono attaccarsi e staccarsi facilmente quando necessario semplicemente riscaldandoli.

Scrivendo il mese scorso sulla rivista National Science Review , il team descrive in dettaglio la svolta nel campo dell'adesione progettando il materiale polimerico a memoria di forma sotto forma di fibrille simili a capelli.

Questo adesivo intelligente può supportare pesi estremamente elevati, aprendo nuove possibilità per le pinze robotiche che consentono agli esseri umani di scalare le pareti senza sforzo o per i robot che si arrampicano e possono aggrapparsi ai soffitti per applicazioni di rilevamento o riparazione.

Il professor Hsia, presidente della cattedra di ingegneria meccanica, Scuola di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale (MAE) e Scuola di Chimica, Ingegneria Chimica e Biotecnologia della NTU, ha dichiarato:"Questa ricerca si basa su una comprensione fondamentale dei meccanismi delle forze di adesione sulle superfici ruvide. Può aiutarci a sviluppare adesivi molto resistenti, ma facilmente staccabili, adattabili a superfici ruvide. La tecnologia sarà molto utile nelle pinze adesive e nei robot che si arrampicano e un giorno potrebbe consentire agli esseri umani di scalare le pareti come un vero Spider-Man."

I polimeri a memoria di forma sono materiali che possono conservare "memorie" della loro forma precedente e ritornare alla loro forma originale dopo essere stati deformati applicando stimoli esterni come calore, luce o corrente elettrica. Queste proprietà li rendono ideali per essere utilizzati come adesivi commutabili che possono adattarsi a varie superfici.

Nei loro test, i ricercatori hanno utilizzato un polimero a memoria di forma denominato epossidico E44, una plastica rigida e simile al vetro a temperatura ambiente. Dopo il riscaldamento, il materiale si trasforma in uno stato morbido simile alla gomma che può conformarsi e bloccarsi su angoli e fessure microscopiche. Quando si raffredda, diventa vetroso, creando legami adesivi extra forti grazie a un effetto di bloccaggio della forma.

Quando il materiale viene riscaldato, ritorna al suo stato gommoso in modo che possa essere tirato via e staccato facilmente dalla superficie a cui era attaccato.

I ricercatori hanno scoperto che l’adesione più efficace derivava dalla progettazione del polimero a memoria di forma in una serie di fibrille simili a capelli. Ogni fibrilla doveva essere progettata con attenzione:le fibrille più grandi avevano un'adesione più debole, mentre le fibrille più piccole erano difficili da fabbricare e soggette a collasso e degrado. Il punto ottimale era compreso tra 0,5 mm e 3 mm di raggio, spingendo i limiti dell'adesione pur mantenendo l'integrità strutturale.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che una fibrilla con un diametro di 19,6 mm ² la sezione trasversale potrebbe supportare carichi fino a 1,56 kg. Ogni fibrilla aggiuntiva consente di supportare un peso maggiore. Una serie di 37 fibrille del peso di circa 30 g, grande quanto un palmo di un palmo, può sostenere un peso di 60 kg, il peso di un essere umano adulto.

Il primo autore del documento di ricerca, il dottor Linghu Changhong, ricercatore della NTU, ha dichiarato:"Il nostro adesivo intelligente esemplifica come i polimeri a memoria di forma possano mantenere e persino migliorare l'adesione all'aumentare della ruvidità della superficie. Ciò supera il 'paradosso dell'adesione' su cui gli scienziati hanno sconcertato sopra, dove si verifica una diminuzione della forza di adesione su superfici ruvide nonostante abbiano una maggiore area superficiale su cui le molecole possono aderire.

"I nostri test hanno dimostrato che la forza di adesione del polimero aumenta insieme alla ruvidità della superficie quando si trova allo stato solido e diminuisce quando si trova allo stato gommoso."

L'autore co-corrispondente, il professor Gao Huajian, ex professore universitario illustre della Scuola del MAE della NTU e attualmente professore dell'Università di Xinghua presso l'Università di Tsinghua, ha affermato:"Per scopi pratici di presa, l'adesivo deve essere abbastanza forte da aderire su una superficie, ma inoltre si staccano facilmente quando necessario. Il passaggio da una modalità all'altra è fondamentale per le applicazioni pratiche. Gli adesivi più resistenti possono supportare carichi più pesanti ma tendono ad essere più difficili da staccare:questo è ciò che chiamiamo "conflitto di commutabilità".

"La nostra ricerca sui polimeri a memoria di forma ha prodotto un adesivo che può facilmente indurirsi per aderire alle superfici e altrettanto facilmente ammorbidirsi per staccarsi, pur essendo in grado di sopportare pesi elevati, compreso quello di un essere umano."

Il professor Hsia ha aggiunto:"Gli adesivi polimerici a memoria di forma che abbiamo progettato hanno superato sia il paradosso dell'adesione che il conflitto di commutabilità, fornendo linee guida per lo sviluppo di adesivi più forti e più commutabili adattabili alle superfici ruvide."

Aprire la strada all'attrezzatura da arrampicata appiccicosa

Per staccare il polimero a memoria di forma mentre è attaccato a una superficie allo stato di vetro, è necessario meno di un minuto di riscaldamento utilizzando un asciugacapelli per portare la temperatura fino a 60°C. Per il fissaggio, invece, sono necessari circa tre minuti affinché il materiale si raffreddi completamente e si blocchi in posizione.

La temperatura alla quale il polimero cambia stato può essere controllata regolando i rapporti dei componenti utilizzati per formare il polimero. Ciò consente al polimero di essere utilizzato in ambienti estremi, come le condizioni climatiche calde. Durante i test, i ricercatori hanno impostato la temperatura alla quale il polimero si stacca a 60°C, una temperatura che non rientra nelle condizioni reali più confortevoli.

Questa capacità del materiale di attaccarsi e staccarsi utilizzando solo il calore gli consente di agire come una supercolla riutilizzabile che non lascia residui appiccicosi sulle pareti. Può anche essere utilizzato come pinza morbida in grado di aderire a oggetti con diverse strutture superficiali e di trattenerli in modo affidabile per lunghi periodi.

Il Dr. Changhong ha affermato:"In questa fase attuale, i tempi di riscaldamento e raffreddamento, così come il cambiamento di temperatura, limitano il numero di casi d'uso nel mondo reale. Tuttavia, i nostri risultati mostrano che ridurre i tempi di attesa a pochi secondi è possibile, e le temperature di commutazione possono essere abbassate fino a raggiungere la temperatura corporea, aprendo notevolmente le possibilità di applicazione.

"Anche gli stimoli per far passare il materiale da uno stato all'altro possono essere diversi, ad esempio utilizzando invece la corrente elettrica o la luce."

Andando avanti, il gruppo di ricerca mira a ridurre il tempo di raffreddamento necessario per l'adesione. Il team prevede che l'adesivo potrebbe eventualmente essere utilizzato nelle attrezzature da arrampicata, come guanti e stivali, che consentiranno agli scalatori di attaccarsi e scalare le pareti. I robot potrebbero anche essere equipaggiati con il materiale per creare robot in grado di arrampicarsi sui muri, utili in molti settori come l'edilizia e il rilevamento degli edifici.