Forskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat ett smart, återanvändbart lim som är mer än 10 gånger starkare än en geckos fötter vidhäftning, vilket visar vägen för utveckling av återanvändbart superlim och gripdon som kan hålla tunga vikter över grova och släta ytor.
NTU:s forskargrupp, ledd av professor K Jimmy Hsia, hittade ett sätt att maximera vidhäftningen av de smarta limmen genom att använda formminnespolymerer, som lätt kan fastna och lossna vid behov genom att bara värma dem.
Skrev förra månaden i tidskriften National Science Review , beskriver teamet sitt genombrott inom vidhäftning genom att designa polymermaterialet med formminne i form av hårliknande fibriller.
Detta smarta lim kan bära extremt tunga vikter, vilket öppnar nya möjligheter för robotgripare som gör det möjligt för människor att skala väggar utan ansträngning, eller klätterrobotar som kan klänga fast i tak för undersökningar eller reparationsapplikationer.
Professor Hsia, ordförande för maskinteknik, NTU School of Mechanical &Aerospace Engineering (MAE) och School of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, sa:"Denna forskning är baserad på en grundläggande förståelse av mekanismerna för vidhäftningskrafter på ojämna ytor. Det kan hjälpa oss att utveckla mycket starka, men lätt avtagbara, lim som kan anpassas till grova ytor. Tekniken kommer att vara mycket användbar i självhäftande gripare och klätterrobotar och kan en dag låta människor klättra på väggar som en verklig Spider-Man. P>
Formminnespolymerer är material som kan hålla "minnen" av sin tidigare form och återgå till sin ursprungliga form efter att de har deformerats genom att applicera yttre stimuli som värme, ljus eller elektrisk ström. Dessa egenskaper gör dem idealiska att användas som ombytbara lim som kan anpassas till olika ytor.
I sina tester använde forskarna en polymer med formminne som heter E44 epoxi, en styv och glasliknande plast vid rumstemperatur. Vid uppvärmning förvandlas materialet till ett mjukt gummiliknande tillstånd som kan anpassa sig och låsa sig i mikroskopiska skrymslen och sprickor. När den svalnar blir den glasig, vilket skapar extra starka vidhäftande bindningar tack vare en formlåsande effekt.
När materialet värms upp återgår det till sitt gummiliknande tillstånd så att det kan dras bort och enkelt lossas från ytan som det höll fast vid.
Forskarna fann att den mest effektiva vidhäftningen kom från att designa polymeren med formminne till en rad hårliknande fibriller. Varje fibrill måste utformas noggrant – större fibriller hade svagare vidhäftning, medan de mindre fibrillerna var svåra att tillverka och benägna att kollapsa och nedbrytas. Den söta fläcken var mellan 0,5 mm och 3 mm i radie, vilket pressade gränserna för vidhäftning samtidigt som den strukturella integriteten bibehölls.
I sina experiment fann forskarna att en fibrill med en 19,6 mm 2 tvärsnitt kan bära laster upp till 1,56 kg. Varje extra fibrill gör att mer vikt kan stödjas. En handflata med 37 fibriller som väger cirka 30 g kan hålla en vikt på 60 kg – en vuxen människas vikt.
Forskningsuppsatsens första författare, NTU Research Fellow Dr. Linghu Changhong, sa:"Vårt smarta lim exemplifierar hur formminnespolymerer kan bibehålla och till och med förbättra vidhäftningen när ytråheten ökar. Detta övervinner "vidhäftningsparadoxen", som forskare har förbryllat. över, där det finns en minskning av vidhäftningsstyrkan på ojämna ytor trots att de har större ytarea för molekyler att vidhäfta.
"Våra tester visade att polymerens vidhäftningsstyrka ökar tillsammans med ytråheten när den är i fast tillstånd och minskar när den är i gummiliknande tillstånd."
Medförfattare professor Gao Huajian, tidigare en framstående universitetsprofessor från NTU:s School of MAE och för närvarande Xinghua University Professor vid Tsinghua University, sa:"För praktiska greppsyften måste limmet vara tillräckligt starkt för att fästa på en yta, men ändå Det är också viktigt att växla mellan de två lägena för praktiska applikationer. Starkare lim kan stödja tyngre belastning men är ofta svårare att ta bort – det här är vad vi kallar en "växlingskonflikt".
"Vår forskning om polymerer med formminne har resulterat i ett lim som lätt kan härda för att fästa på ytor och lika lätt mjukna för att lossna, samtidigt som det kan bära tunga vikter inklusive en människas."
Professor Hsia tillade:"De polymerlim med formminne som vi designade övervann både vidhäftningsparadoxen och konflikten med ombytbarhet och gav riktlinjer för att utveckla starkare och mer ombytbara lim som kan anpassas till grova ytor."
Att ta loss formminnespolymeren medan den är fäst på en yta i glastillstånd tar mindre än en minuts uppvärmning med hjälp av en hårtork för att få temperaturer upp till 60°C. Omvänt, för fastsättning tar det cirka tre minuter för materialet att svalna ordentligt och låsa på plats.
Temperaturen vid vilken polymeren ändrar tillstånd kan regleras genom att justera förhållandena mellan komponenterna som används för att bilda polymeren. Detta gör att polymeren kan användas i extrema miljöer, såsom varma väderförhållanden. I sina tester satte forskarna temperaturen vid vilken polymeren lossnar till 60°C, en temperatur som faller utanför de mest bekväma verkliga förhållandena.
Denna förmåga hos materialet att fästa och lossa med enbart värme gör att det fungerar som ett återanvändbart superlim som inte lämnar kvar klibbiga rester på väggarna. Den kan också användas som mjuka gripare som kan fästa på föremål med olika ytstrukturer och pålitligt hålla dem under långa perioder.
Dr. Changhong sa:"I det här aktuella skedet begränsar uppvärmnings- och nedkylningstiderna, såväl som växlingstemperaturen, antalet verkliga användningsfall. Men våra resultat visar att det är möjligt att minska väntetiderna till bara sekunder, och växlingstemperaturerna kan sänkas till nära kroppstemperaturen, vilket dramatiskt öppnar för användningsmöjligheter.
"Stimulansen för att byta materialet från ett tillstånd till ett annat kan också vara olika, till exempel att använda elektrisk ström eller ljus istället."
Framåt strävar forskargruppen efter att minska kyltiden som krävs för vidhäftning. Teamet föreställer sig att limmet så småningom kan användas i klätterutrustning – som handskar och stövlar – som gör att klättrare kan fästa sig på och skala väggar. Robotar skulle också kunna utrustas med materialet för att skapa väggklättrande robotar, som är användbara i många branscher som konstruktion och byggnadsmätning.
Mer information: Changhong Linghu et al, Fibrillärlim med oöverträffad vidhäftningsstyrka, omkopplingsbarhet och skalbarhet, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae106
Tillhandahålls av Nanyang Technological University
