Tack vare speciella limelement på fötterna, geckos, spindlar och skalbaggar kan lätt springa längs tak eller väggar. Vetenskapen om bionik har försökt imitera och kontrollera sådana bioinspirerade förmågor för tekniska tillämpningar och skapandet av konstgjorda material. Ett forskargrupp från Kiel University (CAU) har nu lyckats öka den vidhäftande effekten av ett silikonmaterial avsevärt. Att göra så, de kombinerade två metoder:För det första, de strukturerade ytan på mikroskalan baserat på exemplet med skalbaggfötter, och behandlade det därefter med plasma. Dessutom, de fick reda på att det strukturerade materialets vidhäftning förändras drastiskt om det böjs i varierande grad. Bland andra tillämpningsområden, deras resultat kan gälla utvecklingen av små robotar och gripande enheter. De har publicerats i de senaste utgåvorna av de vetenskapliga tidskrifterna Avancerade material och ACS -tillämpade material och gränssnitt .

Elastiska syntetmaterial som silikonelastomerer är mycket populära inom industrin. De är flexibla, återanvändbar, billigt och enkelt att tillverka. De används därför som tätningar, för isolering, och som korrosionsskydd. Dock, på grund av deras låga ytenergi, de är knappt vidhäftande alls. Detta gör det svårt att måla silikonytor, till exempel.

Professor Stanislav N. Gorb och Emre Kizilkan från arbetsgruppen Functional Morphology and Biomechanics undersöker hur man kan förbättra silikonelastomerernas vidhäftningsegenskaper. Deras exempel att efterlikna är ytstrukturen hos vissa hanbladiga skalbaggar (Chrysomelidae), ser ut som svamp. I två senaste studier, de upptäckte att silikonelastomerer fäster bäst om deras yta modifieras till svampliknande strukturer och därefter behandlas specifikt med plasma. Den elektriskt laddade gasen är ett fjärde tillstånd av materia tillsammans med fasta ämnen, vätskor och gaser. Således, forskarna kombinerade geometriska och kemiska metoder för att imitera biologi. Dessutom, de visade att graden av krökning av materialen påverkar deras vidhäftning.

"Djur och växter ger oss en mängd erfarenhet av några otroliga funktioner. Vi vill överföra mekanismerna bakom dem till konstgjorda material, att kunna styra sitt beteende på ett målinriktat sätt, "sa zoologen Gorb. Deras mål om reversibel vidhäftning i mikroområdet utan traditionellt lim kan göra helt nya applikationer tänkbara - till exempel inom mikroelektronik.

Under experimentella tester är silikoner böjda

I ett första steg, forskargruppen jämförde silikonelastomerer på tre olika ytor:en ostrukturerad, en med pelarformade element och en tredje med en svampliknande struktur. Med hjälp av en mikromanipulator, de stack en glaskula på ytorna och tog sedan bort den igen. De testade hur vidhäftningen förändras när materialen med mikrostrukturerade ytor är böjda konvexa (inåt) och konkava (utåt). "På det här sättet, vi kunde visa att silikonmaterial med en svampliknande struktur och böjda konkava har det dubbla området vidhäftningsstyrka, "sa doktorandforskaren Emre Kizilkan, första författaren till studien. "Med denna ytstruktur, vi kan variera och kontrollera materialets vidhäftning mest. "

I ett andra steg, forskarna behandlade silikonelastomererna med plasma. Denna metod används normalt för att funktionalisera plastmaterial, för att öka deras ytenergi och förbättra deras vidhäftningsegenskaper. I jämförelse med andra metoder som använder vätskor, plasmabehandlingar kan lova större livslängd - dock de skadar ofta materialytor.

För att ta reda på hur plasmabehandlingar avsevärt kan förbättra vidhäftningen av ett material utan att skada det, forskarna varierade olika parametrar, som varaktigheten eller trycket. De fann att vidhäftningen av ostrukturerade ytor på ett glasunderlag ökade med cirka 30 procent efter plasmabehandling. På den svampliknande strukturerade ytan, vidhäftningen ökade till och med med upp till 91 procent. "Dessa fynd överraskade oss särskilt, eftersom den strukturerade ytan bara är hälften så stor som den ostrukturerade, men vidhäftningsförbättringen var tre gånger bättre efter plasmabehandlingen, "förklarade Kizilkan.

Vad händer när de behandlade och obehandlade strukturerade ytorna tas bort från glasunderlaget visar inspelningarna med en höghastighetskamera:På grund av dess högre ytenergi, den plasmabehandlade mikrostrukturen förblir helt i kontakt med glasytan i 50,6 sekunder. Dock, kontaktytan för den obehandlade mikrostrukturen reduceras snabbt med cirka en tredjedel under borttagningsprocessen, varför mikrostrukturen lossnar helt från glasunderlaget redan efter 33 sekunder (figur 3).

"Vi har därför på ett mycket litet område en extremt stark vidhäftning med ett brett utbud, "säger Kizilkan. Detta gör resultaten särskilt intressanta för småskaliga applikationer som mikrorobotar. Resultaten från Kiel-arbetsgruppen har redan resulterat i utvecklingen av en extremt stark tejp, som fungerar enligt "geckoprincipen, "och kan tas bort utan att lämna några rester.