Om du någonsin har tryckt en bildhängande remsa på väggen bara för att inse att den är något utanför mitten, du känner besvikelsen bakom vidhäftning som vi vanligtvis upplever den:den kan vara stark, men det är mestadels irreversibelt. Medan du kan ta bort den använda remsan från väggen, du kan inte slå på klibbigheten igen för att justera placeringen; du måste börja om med en ny remsa eller tolerera ditt misstag. Utöver dess relevans för inredning, hållbar, reversibel vidhäftning kan möjliggöra återanvändbara kuvert, gravitationstunga stövlar, och mer tunga industriella applikationer som bilmontering.

Sådan vidhäftning har undvikit forskare i åratal men finns naturligt i snigelslim.

En snigels epiphragm - ett slemmigt fuktskikt som kan härda för att skydda kroppen mot torrhet - gör att snigeln kan cementera sig på plats under långa perioder, vilket gör den till den ultimata modellen för vidhäftning som kan slås på och av vid behov.

I en ny studie, Penn Engineers visar en stark, vändbart lim som använder samma mekanismer som sniglar gör.

Shu Yang, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik och vid institutionen för kemisk och biomolekylär teknik, ledde studien tillsammans med Hyesung Cho, en postdoktor i Yangs laboratorium som nu är på Korea Institute of Science and Technology, och Penn Engineering doktorander Gaoxiang Wu och Jason Christopher Jolly. Labmedlemmen Yuchong Gao deltog också i forskningen. Teamet inkluderade också medarbetare från Lehigh University:ingenjörsprofessor Anand Jagota, postdoktor Zhenping He, och doktorand Nicole Fortoul.

Studien publicerades i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Yang och hennes labbmedlemmar har en historia av att översätta vad naturen skapar genom evolution till laboratoriemiljön. Yang har lett studier på nanoskala strukturer inspirerade av gigantiska musslor, fjärilar, och pollen, och är direktör för AESOP, centrum för analys av utvecklade strukturer som optimerade produkter, som syftar till att tillämpa bioinspirerade fastigheter på design och arkitektur.

Enligt Yang, hon och hennes labb har varit intresserade av lim ett tag, men den dominerande modellen för reversibla lim i naturvärlden, geckos, fick dem inte tillräckligt långt:

"Geckos kan lägga ner en hand och sedan släppa den, så geckoens vidhäftning är reversibel, men det är mycket låg vidhäftning, "Säger Yang." En gecko är 50 gram, och en människa är minst 50 kilo. Om du vill hålla en människa på en vägg, det är inte möjligt att använda samma lim. Du kan använda ett vakuum, men du måste bära en besvärlig vakuumpump. Vi har jobbat med det här länge, och så har andra människor. Och ingen skulle kunna ha en bättre lösning för att uppnå vidhäftning med superlim men också vara reversibel. "

Genombrottet kom en dag när Gaoxiang Wu arbetade med ett annat projekt som involverade en hydrogel tillverkad av en polymer som kallas polyhydroxietylmetakrylat (PHEMA) och märkte dess ovanliga vidhäftningsegenskaper. PHEMA är gummiliknande när den är våt men stel när den är torr, en kvalitet som gör den användbar för kontaktlinser men också, som Yangs team upptäckte, för lim.

När PHEMA är blött, den överensstämmer med alla små spår på en yta, från en trädstamms distinkta åsar till den osynliga mikroporositeten hos en till synes slät vägg. Denna konforma kontakt är det som gör att PHEMA kan fastna på en yta.

"Det är som de där barndomsleksakerna som du slänger på väggen och de fastnar. Det är för att de är väldigt mjuka. Tänk dig ett plastark på en vägg; det lossnar lätt. Men squishy saker kommer att anpassa sig till hålrummen, "säger Yang.

Ensam, denna förmåga att anpassa sig till hålrum är inte tillräckligt för att göra ett bra lim. Det som verkligen spelar roll är vad som händer när materialet börjar torka. När PHEMA torkar, den blir lika stel som ett plastflasklock, men, unikt, det krymper inte. Istället, materialet stelnar in i hålrummen, fäster sig säkert på ytan.

"När material torkar, de brukar krympa. Om den krymper från ytan, det vill inte längre anpassa sig till mikrohålorna och det kommer att dyka upp, "säger Yang." Vårt PHEMA -lim kommer inte ut. Den förblir konform. Den kommer ihåg formen även när den är torr och stel. "

Dessa egenskaper som hjälpte Yangs team att identifiera PHEMA som en unik kandidat för reversibel, stark vidhäftning är samma egenskaper som finns i en snigels epiphragm. På en solig dag, en snigels slemmiga epiphragm, till en början våt, anpassar sig till ytan den är på och stelnar, spärra snigeln från den torra miljön och hålla snigeln stadigt på plats. På natten, när miljön blir fuktig, epiframen mjuknar, låter snigeln röra sig fritt igen.

Den reversibiliteten mellan våt flexibilitet och torr vidhäftning är vad forskarna ville testa med PHEMA. Teamet körde flera tester på deras PHEMA -hydrogel, utvärdera dess förmåga att hålla vikten och den tid det tar för vatten att infiltrera limmet och vända dess grepp. De fann att PHEMA agerade anmärkningsvärt lik snigelepiphragmen. Det var 89 gånger starkare än gecko -vidhäftning, men greppet bröts lätt när det blev blött.

"När det är konformt och styvt, det är som superlim. Du kan inte dra av det. Men, magiskt, du kan återväta det, och det glider enkelt, "säger Yang." Dessutom, PHEMA tappar inte sin starka vidhäftning när den skalas upp. Vanligtvis, det finns en negativ korrelation mellan vidhäftningsstyrka och storlek. Eftersom PHEMA inte är beroende av en ömtålig struktur, det har inte det problemet. "

För att visa hur hållbart deras PHEMA -lim är, en av Yangs labbmedlemmar och medförste författare, Jason Christopher Jolly, frivilligt att stänga av sig själv från en sele som endast hålls upp av en lapp med frimärke i storlek på deras lim; materialet höll lätt vikten av en hel människokropp. Baserat på laboratorietester, laget bestämde att även om PHEMA kanske inte är det starkaste limet som finns, det är för närvarande den starkaste kända kandidaten som finns tillgänglig för reversibel vidhäftning.

Med den typen av kraft, snigelslimmet kan ha stor inverkan på såväl det vetenskapliga området som inom industrin. Yang ser hållbar, vändbara lim som hennes PHEMA -hydrogel som har stor potential för hushållsprodukter, robotiksystem, och industriell montering.

"Bilmontering använder lim, och, du kan föreställa dig, om det är några misstag när delar sätts ihop, limet är härdat och delarna förstörda, "Säger Yang." En bil är ganska stor. Vanligtvis klistrar de inte ihop saker förrän i sista steget, och du behöver en ugn i storlek för att vara värd för bilen och bota limen. Ett lim som är starkt och reversibelt som PHEMA kan helt ändra processen för montering av bilar och spara pengar eftersom misstag inte skulle vara så dyra. "

Trots sitt löfte i applikationer som tung tillverkning, PHEMA passar inte för de flesta industrier eftersom dess reversibilitet styrs av vatten. Medan vatten är den perfekta kontrollmekanismen för en snigel, du skulle inte vilja att din bil faller sönder i regnet. Så, även om PHEMA är den första i sitt slag i reversibel vidhäftning, Yang erkänner att det bara är en utgångspunkt.

"Med många saker, du vill inte använda vatten. Vatten tar tid att sprida sig. I framtiden, vi vill hitta rätt material som kan byta egendom så, "säger Yang.

Forskarna hoppas att så småningom hitta eller konstruera lim som kan svara på signaler som pH, specifika kemikalier, ljus, värme, eller el, vidga de möjliga tillämpningarna av reversibel vidhäftning.