Cientistas desenvolvem adesivo forte, mas reutilizável, a partir de materiais inteligentes
A equipe da NTU projetou polímeros com memória de forma, que são materiais inteligentes que podem 'lembrar' suas formas anteriores, na forma de fibrilas semelhantes a cabelos que encontraram em seus testes para fornecer força adesiva máxima. Crédito:Universidade Tecnológica de Nanyang Cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang, Singapura (NTU Singapura) desenvolveram um adesivo inteligente e reutilizável mais de 10 vezes mais forte do que a adesão dos pés de uma lagartixa, apontando o caminho para o desenvolvimento de supercola reutilizável e pinças capazes de suportar pesos pesados em superfícies ásperas e lisas.
A equipe de pesquisa da NTU, liderada pelo professor K Jimmy Hsia, encontrou uma maneira de maximizar a adesão dos adesivos inteligentes usando polímeros com memória de forma, que podem aderir e se soltar facilmente quando necessário, simplesmente aquecendo-os.
Escrevendo no mês passado na revista National Science Review , a equipe detalha seu avanço na adesão ao projetar o material polimérico com memória de forma no formato de fibrilas semelhantes a cabelos.
Este adesivo inteligente pode suportar pesos extremamente pesados, abrindo novas possibilidades para garras robóticas que permitem aos humanos escalar paredes sem esforço, ou escalar robôs que podem agarrar-se a tetos para aplicações de levantamento ou reparo.
Professor Hsia, Presidente em Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia Mecânica e Aeroespacial (MAE) da NTU e Escola de Química, Engenharia Química e Biotecnologia, disse:"Esta pesquisa é baseada em uma compreensão fundamental dos mecanismos de forças de adesão em superfícies ásperas. Ela pode nos ajudar a desenvolver adesivos muito fortes, mas facilmente removíveis, adaptáveis a superfícies ásperas. A tecnologia será muito útil em garras adesivas e robôs escaladores e poderá um dia permitir que os humanos escalem paredes como um Homem-Aranha da vida real."
Polímeros com memória de forma são materiais que podem reter "memórias" de sua forma anterior e retornar à sua forma original após terem sido deformados pela aplicação de estímulos externos como calor, luz ou corrente elétrica. Essas propriedades os tornam ideais para uso como adesivos comutáveis que podem se adaptar a diversas superfícies.
Em seus testes, os pesquisadores usaram um polímero com memória de forma denominado epóxi E44, um plástico rígido e semelhante a vidro à temperatura ambiente. Após o aquecimento, o material se transforma em um estado semelhante a uma borracha macia que pode se conformar e travar em cantos e fendas microscópicas. À medida que esfria, torna-se vítreo, criando ligações adesivas extra-fortes devido a um efeito de fixação de forma.
Quando o material é reaquecido, ele volta ao estado de borracha para que possa ser puxado e facilmente destacado da superfície à qual estava grudado.
Os pesquisadores descobriram que a adesão mais eficaz veio da concepção do polímero com memória de forma em uma série de fibrilas semelhantes a cabelos. Cada fibrila teve que ser cuidadosamente projetada – fibrilas maiores tinham adesão mais fraca, enquanto as fibrilas menores eram difíceis de fabricar e propensas ao colapso e à degradação. O ponto ideal estava entre 0,5 mm e 3 mm de raio, ultrapassando os limites da adesão e mantendo a integridade estrutural.
Em seus experimentos, os pesquisadores descobriram que uma fibrila com 19,6 mm
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a seção transversal poderia suportar cargas de até 1,56 kg. Cada fibrila adicional permite que mais peso seja suportado. Um conjunto de 37 fibrilas do tamanho da palma da mão, pesando cerca de 30 g, pode suportar um peso de 60 kg – o peso de um ser humano adulto.
O primeiro autor do artigo de pesquisa, pesquisador da NTU, Dr. Linghu Changhong, disse:"Nosso adesivo inteligente exemplifica como os polímeros com memória de forma podem manter e até mesmo aumentar a adesão à medida que a rugosidade da superfície aumenta. Isso supera o 'paradoxo da adesão', que os cientistas têm intrigado acima, onde há uma diminuição na força de adesão em superfícies ásperas, apesar de haver mais área superficial para as moléculas aderirem.
"Nossos testes mostraram que a resistência de adesão do polímero aumenta junto com a rugosidade da superfície quando está no estado sólido e diminui quando está no estado emborrachado."
O autor co-correspondente, Professor Gao Huajian, ex-Professor Universitário Distinto da Escola de MAE da NTU e atualmente Professor da Universidade Xinghua na Universidade Tsinghua, disse:"Para fins práticos de aderência, o adesivo precisa ser forte o suficiente para aderir a uma superfície, mas também podem ser facilmente removidos quando necessário. A alternância entre os dois modos é vital para aplicações práticas. Adesivos mais fortes podem suportar cargas mais pesadas, mas tendem a ser mais difíceis de remover – isso é o que chamamos de “conflito de alternância”.
"Nossa pesquisa em polímeros com memória de forma resultou em um adesivo que pode endurecer facilmente para aderir às superfícies e amolecer com a mesma facilidade para se soltar, ao mesmo tempo em que é capaz de suportar pesos pesados, incluindo o de um ser humano."
O professor Hsia acrescentou:"Os adesivos de polímero com memória de forma que projetamos superaram tanto o paradoxo da adesão quanto o conflito de alternância, fornecendo diretrizes para o desenvolvimento de adesivos mais fortes e comutáveis, adaptáveis a superfícies ásperas."
Abrindo caminho para equipamentos de escalada pegajosos
A separação do polímero com memória de forma enquanto ele está fixado a uma superfície em estado de vidro leva menos de um minuto de aquecimento usando um secador de cabelo para levar as temperaturas até 60°C. Por outro lado, para fixação, leva cerca de três minutos para que o material esfrie completamente e trave no lugar.
A temperatura à qual o polímero muda de estado pode ser controlada ajustando as proporções dos componentes utilizados para formar o polímero. Isto permite que o polímero seja usado em ambientes extremos, como climas quentes. Nos seus testes, os investigadores definiram a temperatura à qual o polímero se desprende em 60°C, uma temperatura que está fora das condições mais confortáveis do mundo real.
Essa capacidade do material de fixar e desconectar usando apenas calor permite que ele atue como uma supercola reutilizável que não deixa resíduos pegajosos nas paredes. Também podem ser usadas como pinças macias capazes de aderir a objetos com diversas texturas de superfície e mantê-los de forma confiável por longos períodos.
Changhong disse:"Neste estágio atual, os tempos de aquecimento e resfriamento, bem como a mudança de temperatura, restringem o número de casos de uso no mundo real. No entanto, nossas descobertas mostram que é possível reduzir os tempos de espera para meros segundos, e as temperaturas de comutação podem ser reduzidas até próximo da temperatura corporal, abrindo drasticamente as possibilidades de aplicação.
“Os estímulos para mudar o material de um estado para outro também podem ser diferentes, como o uso de corrente elétrica ou luz.”
Seguindo em frente, a equipe de pesquisa pretende reduzir o tempo de resfriamento necessário para a adesão. A equipe prevê que o adesivo poderá eventualmente ser usado em equipamentos de escalada – como luvas e botas – que permitirão aos escaladores aderir e escalar paredes. Os robôs também poderiam ser equipados com o material para criar robôs escaladores de paredes, que são úteis em muitos setores, como construção e topografia de edifícios.
