Ученые создали «умный» клей, приближающий нас к возможностям Человека-паука
«Умный» клей многоразового использования, который более чем в десять раз прочнее, чем адгезия лапок геккона, легко перемещающегося по вертикальной стеклянной стене с грузом, разработали ученые из Наньянского технического университета (NTU) в Сингапуре, 29 апреля сообщает пресс-служба университета.
Исследование нового многоразового суперклея станет ступенькой к разработке захватов, способных удерживать тяжелые грузы как на шероховатых, так и гладких поверхностях, а также к созданию лазающих роботов, свободно передвигающихся с грузом по вертикальным стенам или потолкам.
Исследовательская группа NTU подсмотрела способ максимизировать адгезию умных клеев у природы. Они, используя полимеры с памятью формы, придали им вид волосоподобных фибрилл, как у гекконов. Клей сингапурских ученых крепко держится на поверхностях, но легко отделяется от них нагревом, не оставляя следов.
Полимеры с памятью формы представляют собой материалы, которые могут сохранять «память» о своей предыдущей форме и, после того как они были деформированы, возвращаться к ней под внешним воздействием, например, тепла, света или электрического тока. Эти свойства делают такие полимеры идеальными для использования в качестве умных клеев, которые можно адаптировать к различным поверхностям.
В статье «Фибриллярные клеи с беспрецедентной прочностью сцепления, возможностью переключения и масштабирования», опубликованной в марте в журнале National Science Review, исследователи подробно описали свой прорыв в области адгезии.
Заведующий кафедрой машиностроения Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии (MAE) и школы химии, химической инженерии и биотехнологии NTU профессор Ся сказал о проделанной командой работе:
«Это исследование основано на фундаментальном понимании механизмов сил сцепления на шероховатых поверхностях. Это может помочь нам разработать очень прочные, но в то же время легко отделяемые клеи, адаптируемые к шероховатым поверхностям. Эта технология будет очень полезна в клеевых захватах и лазающих роботах и, возможно, однажды позволит людям лазать по стенам, как настоящий Человек-паук».
В своих исследованиях команда использовала полимер с памятью формы под названием E44 epoxy, который при комнатной температуре представляет собой жесткий, стеклоподобный пластик. Однако нагрев превращает его в мягкую резину, плотно заполняющую микроскопические дырочки и трещины материала, на которую он нанесен.
По мере остывания этот пластик снова возвращается к стекловидной форме, создавая сверхпрочные адгезионные связи с поверхностью благодаря эффекту фиксации формы. Но повторный нагрев опять делает его эластичным, и он легко снимается с поверхности, к которой прилипал.
В поисках повышения адгезии исследователи пришли к выводу, что наиболее эффективно увеличить ее можно за счет формирования из полимера с памятью множества волоконец — фибрилл, похожих на волоски геккона.
Эксперименты показали, что одна фибрилла сечением 19,6 мм² может выдерживать нагрузку до 1,56 кг, а каждая дополнительная фибрилла позволяет выдерживать больший вес. В результате массив размером с ладонь и весом около 30 г, содержащий 37 фибрилл, может выдержать вес порядка 60 кг — то есть вес взрослого человека.
Первый автор исследовательской работы, научный сотрудник NTU доктор Линху Чанхонг рассказал:
«Наш умный клей является примером того, как полимеры с памятью формы могут сохранять и даже усиливать адгезию при увеличении шероховатости поверхности. Это позволяет преодолеть „парадокс адгезии“, над которым ломали голову ученые, когда прочность сцепления с шероховатыми поверхностями снижается, несмотря на то, что молекулы имеют большую площадь поверхности для прилипания. Наши испытания показали, что адгезионная прочность полимера увеличивается вместе с шероховатостью поверхности в твердом состоянии и уменьшается в эластичном».
Соавтор статьи, профессор Университета Цинхуа отметил, что для практического применения суперклей, кроме хорошей адгезии к поверхности, должен легко от нее отсоединяться при необходимости, и команда сумела этого добиться. Это открывает путь для создания альпинистского снаряжения на липучках.
Исследования нового полимера показали, что для отделения его от поверхности, когда он находится в «стеклянном» виде, требуется менее минуты нагрева феном до температуры 60 °C. А для прикрепления требуется около трех минут, чтобы материал полностью остыл и зафиксировался на заданном месте.
При этом температуру смены состояния полимера можно регулировать, изменяя соотношение компонентов, используемых при изготовлении полимера. Это позволит использовать полимер, например, в условиях экстремальной жары. В ходе испытаний исследователи, например, установили температуру отделения полимера равной 60 °C.
Доктор Чанхонг сказал: «На данном этапе время нагрева и охлаждения, а также температура переключения ограничивают количество реальных вариантов использования. Однако наши результаты показывают, что возможно сократить это время до нескольких секунд, а температуру переключения можно снизить до температуры, близкой к температуре тела, что значительно расширяет возможности применения».
При этом стимулами переключения материала из одного состояния в другое можно сделать, например, электрический ток или свет, добавил ученый.
В дальнейшем исследовательская группа намерена сократить время остывания, необходимое для восстановления адгезии. Команда считает, что такой клей со временем может быть использован, например, в альпинистском снаряжении — в перчатках и ботинках, чтобы альпинисты с их помощью могли цепляться за стены и карабкаться по ним.
А также этот суперклей может быть использован для создания роботов-скалолазов, которые будут способны цепляться даже за потолки. Их можно задействовать при строительстве и ремонте зданий и сооружений или для геодезии зданий при их обследовании.
