Se você já pressionou uma tira de quadro na parede apenas para perceber que ela estava ligeiramente descentrada, você conhece a decepção por trás da adesão, como normalmente experimentamos:pode ser forte, mas é quase sempre irreversível. Embora você possa retirar a tira usada da parede, você não pode reativar sua aderência para ajustar seu posicionamento; você tem que recomeçar com uma nova tira ou tolerar seu erro. Além de sua relevância para a decoração de interiores, durável, a adesão reversível pode permitir envelopes reutilizáveis, botas que desafiam a gravidade, e aplicações industriais mais pesadas, como montagem de automóveis.

Essa adesão iludiu os cientistas por anos, mas é naturalmente encontrada no limo dos caramujos.

O epifragma de um caracol - uma camada viscosa de umidade que pode endurecer para proteger seu corpo da secura - permite que o caracol se fixe no lugar por longos períodos de tempo, tornando-o o modelo definitivo em adesão que pode ser ligado e desligado conforme necessário.

Em um novo estudo, Penn Engineers demonstram uma forte, adesivo reversível que usa os mesmos mecanismos dos caracóis.

Shu Yang, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, conduziu o estudo junto com Hyesung Cho, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Yang que agora está no Instituto de Ciência e Tecnologia da Coreia, e os alunos de graduação da Penn Engineering Gaoxiang Wu e Jason Christopher Jolly. O membro do laboratório Yuchong Gao também participou da pesquisa. A equipe também incluiu colaboradores da Lehigh University:professor de engenharia Anand Jagota, pesquisador de pós-doutorado Zhenping He, e a estudante de graduação Nicole Fortoul.

O estudo foi publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Yang e seus membros de laboratório têm um histórico de traduzir o que a natureza cria por meio da evolução para o ambiente de laboratório. Yang liderou estudos sobre estruturas em nanoescala inspiradas em moluscos gigantes, borboletas, e pólen, e é o diretor da AESOP, o Centro de Análise de Estruturas Evoluídas como Produtos Otimizados, que visa aplicar propriedades bioinspiradas ao design e à arquitetura.

De acordo com Yang, ela e seu laboratório se interessam por adesivos há algum tempo, mas o modelo predominante para adesivos reversíveis no mundo natural, lagartixas, não os estava levando longe o suficiente:

"As lagartixas podem abaixar uma mão e depois soltá-la, então a adesão da lagartixa é reversível, mas é uma adesão muito baixa, "Yang diz." Uma lagartixa tem 50 gramas, e um humano tem pelo menos 50 kg. Se você quiser segurar um humano na parede, não é possível usar o mesmo adesivo. Você poderia usar um aspirador, mas você tem que carregar uma bomba de vácuo pesada. Estamos trabalhando nisso há muito tempo, e outras pessoas também. E ninguém poderia ter uma solução melhor para alcançar a adesão do tipo supercola, mas também ser reversível. "

A descoberta veio um dia, quando Gaoxiang Wu estava trabalhando em outro projeto que envolvia um hidrogel feito de um polímero chamado polihidroxietilmetacrilato (PHEMA) e percebeu suas propriedades adesivas incomuns. PHEMA é borracha quando molhado, mas rígido quando seco, uma qualidade que o torna útil para lentes de contato, mas também, como a equipe de Yang descobriu, para adesivos.

Quando PHEMA está molhado, está em conformidade com todas as pequenas ranhuras em uma superfície, das cristas distintas do tronco de uma árvore à microporosidade invisível de uma parede aparentemente lisa. Este contato conformado é o que permite que o PHEMA adira a uma superfície.

"É como aqueles brinquedos infantis que você joga na parede e eles grudam. Isso porque eles são muito macios. Imagine uma folha de plástico na parede; ela sai facilmente. Mas coisas moles se conformam com as cavidades, "diz Yang.

Sozinho, esta capacidade de se conformar a cavidades não é suficiente para fazer um bom adesivo. O que realmente importa é o que acontece quando o material começa a secar. À medida que PHEMA seca, torna-se tão rígido quanto uma tampa de garrafa de plástico, mas, unicamente, não encolhe. Em vez de, o material endurece nas cavidades, fixando-se com segurança à superfície.

"Quando os materiais secam, eles geralmente encolhem. Se encolher na superfície, não quer mais se conformar com as microcavidades e vai aparecer, "diz Yang." Nosso adesivo PHEMA não salta. Ele permanece conforme. Ele lembra a forma mesmo quando está seco e rígido. "

Essas propriedades que ajudaram a equipe de Yang a identificar PHEMA como um candidato único para reversível, forte adesão são as mesmas propriedades encontradas no epifragma de um caracol. Num dia de sol, o epifragma viscoso de um caracol, inicialmente molhado, conforma-se com a superfície em que está e endurece, protegendo o caracol do ambiente seco e mantendo-o firmemente no lugar. À noite, quando o ambiente fica úmido, o epifragma suaviza, permitindo que o caracol se mova livremente novamente.

Essa reversibilidade entre flexibilidade úmida e adesão seca é o que os pesquisadores queriam testar com PHEMA. A equipe fez vários testes em seu hidrogel PHEMA, avaliando sua capacidade de segurar o peso e o tempo que leva para a água se infiltrar no adesivo e reverter sua aderência. Eles descobriram que o PHEMA agia notavelmente semelhante ao epifragma do caracol. Foi 89 vezes mais forte do que a adesão da lagartixa, mas seu aperto foi facilmente quebrado quando ele se molhou.

"Quando é conformado e rígido, é como uma super cola. Você não pode fazer isso. Mas, magicamente, você pode regar, e escorrega sem esforço, "diz Yang." Além disso, PHEMA não perde sua forte adesão quando ampliado. Usualmente, há uma correlação negativa entre a força de adesão e o tamanho. Uma vez que PHEMA não depende de uma estrutura frágil, não tem esse problema. "

Para demonstrar o quão durável é seu adesivo PHEMA, um dos membros do laboratório de Yang e co-primeiro autor, Jason Christopher Jolly, ofereceu-se para se suspender em um arnês sustentado apenas por um adesivo do tamanho de um selo postal; o material suportava facilmente o peso de um corpo humano inteiro. Com base nos testes de laboratório, a equipe determinou que, embora PHEMA possa não ser o adesivo mais forte que existe, é atualmente o candidato mais forte conhecido disponível para adesão reversível.

Com esse tipo de poder, o adesivo de limo de caracol pode ter um grande impacto no campo científico e também na indústria. Yang vê durável, adesivos reversíveis, como o hidrogel PHEMA, com enorme potencial para produtos domésticos, sistemas robóticos, e montagem industrial.

"A montagem do carro usa adesivos, e, você pode imaginar, se houver algum erro ao colocar as peças juntas, o adesivo está curado e as peças estão estragadas, "Yang diz." Um carro é muito grande. Normalmente eles não colam as coisas até a última etapa, e você precisa de um forno do tamanho de uma sala para hospedar o carro e curar os adesivos. Um adesivo forte e reversível como o PHEMA poderia mudar completamente o processo de montagem do carro e economizar dinheiro porque os erros não custariam tanto. "

Apesar de sua promessa em aplicações como manufatura pesada, PHEMA não é adequado para a maioria das indústrias porque sua reversibilidade é controlada pela água. Embora a água seja o mecanismo de controle perfeito para um caracol, você não gostaria que seu carro desmoronasse na chuva. Então, embora PHEMA seja o primeiro de seu tipo em adesão reversível, Yang reconhece que é apenas um ponto de partida.

"Com muitas coisas, você não quer usar água. A água leva tempo para se difundir. No futuro, queremos encontrar o material certo que pode mudar a propriedade assim, "diz Yang.

Os pesquisadores esperam encontrar ou desenvolver adesivos que possam responder a sinais como o pH, produtos químicos específicos, luz, aquecer, ou eletricidade, ampliando as aplicações potenciais de adesão reversível.