超强,可逆的粘合剂,像蜗牛泥一样

工业科技资讯 2019-06-19 17:32:05 199
如果你曾经把挂在墙上的条带挂在墙上只是为了意识到它略微偏离中心,你就会知道我们通常经历的粘合背后的失望:它可能很强大,但它几乎是不可逆转的。虽然你可以从墙上取下旧的条带,但你不能将其粘性重新调整以调整其位置; 你必须重新开始使用新的条带或容忍你的错误。除了与室内装饰相关外,耐用,可逆的附着力还可以实现可重复使用的信封,重力防护靴以及汽车装配等更重型的工业应用。
 
这种粘连多年来一直困扰着科学家,但天然存在于蜗牛泥中。
 
蜗牛的epiphragm - 一层粘稠的水分,可以硬化以保护身体免受干燥 - 使蜗牛长时间固定在适当的位置,使其成为粘合的终极模型,可以打开和关闭需要。
 
在一项新的研究中,宾夕法尼亚大学工程师展示了一种强力的可逆粘合剂,它使用与蜗牛相同的机制。
 
材料科学与工程系教授,化学与生物分子工程系教授Shu Yang与杨氏实验室的博士后研究员Hyesung Cho一起领导了这项研究,他现在在韩国科学技术研究所和宾夕法尼亚大学。工程研究生高翔武和杰森克里斯托弗乔利。实验室成员Yuchong Gao也参与了这项研究。该团队还包括来自利哈伊大学的合作者:工程学教授Anand Jagota,博士后研究员何振平和研究生Nicole Fortoul。
 
该研究发表在“ 美国国家科学院院刊”上。
 
杨和她的实验室成员有将自然界通过进化创造的东西转化为实验室环境的历史。杨先生领导了受巨蛤,蝴蝶和花粉启发的纳米级结构的研究,并且是AESOP的主任,AESOP是分析进化结构作为优化产品的中心,旨在将生物启发特性应用于设计和建筑。
 
根据Yang的说法,她和她的实验室已经对粘合剂感兴趣了一段时间,但是自然界中壁纸的可逆粘合剂的主要模型并没有让它们足够远:
 
“Geckos可以将一只手放下然后释放它,因此壁虎的附着力是可逆的,但它的附着力非常低,”Yang说。“壁虎是50克,人类至少50公斤。如果你想把人抱在墙上,就不可能使用相同的粘合剂。你可以使用真空吸尘器,但你必须携带一个笨重的真空泵我们一直在研究这个问题,其他人也是如此。没有人能够有更好的解决方案来实现类似胶水的粘合,但也是可逆的。“
 
有朝一日,吴高祥正在开展另一个涉及由聚合物聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)制成的水凝胶并注意到其不寻常的粘合性能的项目。PHEMA在潮湿时是橡胶状的,但在干燥时是刚性的,这种质量使其对隐形眼镜很有用,而且正如Yang的研究小组发现的那样,它也适用于粘合剂。
 
当PHEMA潮湿时,它符合表面上的所有小凹槽,从树干的不同脊部到看似光滑的墙壁的无形微孔。这种保形接触使PHEMA能够粘附在表面上。
 
“这就像你扔在墙上的那些儿童玩具,它们会粘在一起。那是因为它们非常柔软。想象一下墙上的塑料薄片;它很容易脱落。但是柔软的东西会与蛀洞相符,”杨说。
 
单独来说,这种符合空腔的能力不足以制造出良好的粘合剂。真正重要的是当材料开始干燥时会发生什么。随着PHEMA干燥,它变得像塑料瓶盖一样坚硬,但独特的是,它不会收缩。相反,材料硬化到空腔中,将其自身牢固地固定在表面上。
 
“当材料干燥时,它们通常会收缩。如果它从表面收缩,它就不再需要符合微腔,它会弹出,”杨说。“我们的PHEMA粘合剂不会突然出现。它保持保形。即使在干燥和坚硬的情况下,它也会记住它的形状。”
 
这些有助于杨氏团队确定PHEMA作为可逆,强粘附力的独特候选物的特性与蜗牛的epiphragm相同。在阳光明媚的日子里,蜗牛的粘糊糊的罂粟花,最初是潮湿的,与其表面上的表面一致并硬化,将蜗牛从干燥的环境中挡住并将蜗牛牢牢固定在适当的位置。到了晚上,当环境变得潮湿时,epiphragm会变软,让蜗牛再次自由活动。
 
湿润柔韧性和干粘合性之间的可逆性是研究人员希望用PHEMA进行测试的。该团队对其PHEMA水凝胶进行了多次测试,评估了其保持重量的能力以及水渗透粘合剂和扭转其抓地力所需的时间。他们发现PHEMA与蜗牛epiphragm非常相似。它比壁虎粘附强89倍,但在潮湿时容易破碎。
 
“当它是保形和刚性时,它就像是超级胶水。你不能把它拉下来。但是,神奇的是,你可以把它重新润湿,而且它可以毫不费力地滑落,”杨说。“另外,PHEMA在放大时不会失去强力附着力。通常,粘合强度和尺寸之间存在负相关关系。由于PHEMA不依赖于脆弱的结构,因此没有这个问题。”
 
为了证明他们的PHEMA粘合剂有多耐用,杨的实验室成员之一和共同第一作者杰森克里斯托弗乔利自愿将自己暂停于仅用邮票大小的胶粘剂贴上的挽具; 这种材料很容易承受整个人体的重量。根据实验室测试,该团队确定,虽然PHEMA可能不是现有最强的粘合剂,但它是目前已知最强的可逆粘合剂候选物。
 
有了这种力量,蜗牛泥粘合剂可以对科学领域和工业产生重大影响。杨看到耐用的可逆粘合剂,如PHEMA水凝胶,因为它具有家用产品,机器人系统和工业装配的巨大潜力。
 
“汽车装配使用粘合剂,你可以想象,如果将零件放在一起会有任何错误,粘合剂会被固定,零件也会被破坏,”杨说。“汽车非常大。通常他们不会把东西粘在一起,直到最后一步,你需要一个房间大小的烤箱来托管汽车并固化粘合剂。像PHEMA一样坚固且可逆的粘合剂可以完全改变这个过程汽车装配和省钱,因为错误不会那么昂贵。“
 
尽管PHEMA在重型制造等应用领域具有前景,但由于其可逆性受水的控制,因此不适合大多数行业。虽然水是蜗牛的完美控制机制,但您不希望您的汽车在雨中分崩离析。因此,虽然PHEMA是可逆粘合剂中的第一个,但Yang承认它只是一个起点。
 
“有很多东西,你不想用水。水需要时间来弥漫。未来,我们希望找到能够像这样切换房产的合适材料,”杨说。
 
研究人员希望最终找到或设计能够响应pH,特定化学品,光,热或电等线索的粘合剂,从而拓宽可逆粘合的潜在应用。
 
该研究由美国国家科学基金会资助DMR-1410253和EFRI-1331583,以及美国能源部,基础能源科学办公室,材料科学与工程处,DE-FG02-07ER46463奖项。