Naukowcy zainspirowani wydzielanym przez ślimaki śluzem stworzyli klej wystarczająco mocny, by utrzymać ciężar przeciętnego człowieka. Dodatkowym atutem nowego spoiwa jest możliwość odwrócenia jego właściwości, czyli łatwego odklejenia złączonych powierzchni.
Kleje znajduję wiele zastosowań w życiu codziennym oraz w przemyśle. Według profesora Ananda Jagoty z Wydziału Bioinżynierii Uniwersytetu Lehigh, zazwyczaj należą do jednej z dwóch klas. Pierwsza to mocne kleje, po których użyciu trudno odwrócić cały proces. Druga to kleje słabe, ale odwracalne, czyli z łatwą możliwością odklejenia złączonych powierzchni.
Osiągnięcie zarówno silnej przyczepności, jak i możliwości łatwego pozbycia się tych właściwości, czyli odklejenia, jest sporym wyzwaniem. Udało się to grupie badaczy z University of Pennsylvania, Lehigh University oraz Koreańskiego Instytutu Nauki i Technologii. Uczeni o swoich odkryciach poinformowali na łamach pisma „Proceedings of the National Academy of Science”.
Epifragma ślimaka to rodzaj zamknięcia czy zaślepki, którą można zobaczyć u ujścia muszli u niektórych ślimaków. Zbudowana jest ze stwardniałego śluzu i chroni ciało ślimaka przed wysuszeniem i innymi czynnikami mechanicznymi czy chemicznymi. Tworzona jest w przypadku wystąpienia niekorzystnych warunków atmosferycznych i pozwala ślimakowi przetrwać przez długi czas, co czyni ją najlepszym modelem adhezji, który można włączać i wyłączać w razie potrzeby.
Naukowcy pracując nad nowym klejem inspirowali się właśnie epifragmą. Wykorzystali te same mechanizmy, co ślimaki, dzięki czemu udało im się opracować mocny, ale zarazem odwracalny klej.
Kierująca badaniami Shu Yang z University of Pennsylvania wraz z grupą badaczy już wcześniej próbowała odtworzyć w laboratorium stosowane w naturze przez zwierzęta i rośliny związki. Prowadziła badania nad nanoskalowymi strukturami inspirowanymi olbrzymimi małżami, motylami, a nawet pyłkiem kwiatowym. Od pewnego czasu pracuje nad klejami odwracalnymi. Pierwszy przykład widoczny w naturze, który przychodzi na myśl, to gekon, ale nie znalazł on uznania w jej oczach.
- Gekony mogą przyczepić jedną łapkę, a następnie ją uwolnić, zatem mamy tu przykład przyczepności odwracalnej, ale jest to bardzo słaba przyczepność. Gekon waży 50 gramów, a człowiek co najmniej 50 kilogramów. Jeśli chcesz trzymać człowieka na ścianie, nie zdołasz tego zrobić za pomocą tego samego kleju. Pracujemy nad tym od dłuższego czasu, podobnie jak inne zespoły badaczwe – przyznała Yang.
Przełom nastąpił, gdy jeden z członków jej zespołu pracował nad innym projektem wykorzystującym hydrożel. Wtedy zauważył jego niezwykłe właściwości adhezyjne. Materiał ten (metakrylan polihydroksyetylu, PHEMA) jest elastyczny, gdy jest wilgotny. Wówczas przesiąka i rozprzestrzenia się w najmniejsze pęknięcia i mikroporowatości na powierzchni.
Jednak ta zdolność dostosowywania się do ubytków na powierzchni nie wystarcza, aby uzyskać dobry klej. Liczy się to, co się dzieje, gdy materiał zaczyna wysychać. Wtedy staje się niezwykle sztywny i do tego nie kurczy się. Materiał twardnieje w zagłębieniach mocując się bezpiecznie do powierzchni.
- Kiedy materiały wysychają, zwykle się kurczą, a jeśli się kurczą, maleje ich kontakt z powierzchnią i nie chcą się już tak idealnie dostosowywać się do mikrowgłębień na powierzchni. Nasz klej się nie kurczy i pamięta kształt nawet wtedy, gdy jest suchy i sztywny – wyjaśniła Yang.
Te właściwości hydrożelu pomogły zespołowi Yang zidentyfikować ten materiał jako unikalnego kandydata do odwracalnej, silnej adhezji. Te same właściwości występują w epifragmie ślimaka. - Ślimaki są doskonałym przykładem. Kiedy się poruszają, śluz, który produkują, jest lepką cieczą, ale gdy wyschnie staje się niezwykle twardy – zaznaczyła Yang.
Klej hydrożelowy naśladuje sztuczkę, której używają ślimaki, aby chronić się przed odwodnieniem przy suchej pogodzie. Zamiast ślizgać się po warstwie mokrego śluzu, mięczaki tworzą twardą, suchą warstwę, która przyczepia się do rowków na powierzchni, na której się znajdują. Membrana ta uszczelnia ujście muszli ślimaka i zapobiega utracie zbyt dużej ilości wody.
Eksperymenty z nowym klejem wykazały, że był on bardzo silny w stanie suchym, ale szybko miękł i powoli zwalniał uchwyt, gdy dodano do niego odrobinę wody. Badania laboratoryjne wykazały, że klej skuteczny jest nie tylko na silnie chropowatych powierzchniach, ale także na szkle.
Aby sprawdzić jego moc, jeden ze współautorów badań został zawieszony na uprzęży podtrzymywanej tylko przez plaster wielkości znaczka pocztowego pokryty nowym klejem. Materiał z łatwością utrzymywał ciężar ludzkiego ciała. Jednak to, że klej traci swoje właściwości po dodaniu do niego wody sprawia, że może być on używany jedynie w suchym środowisku. Zespół naukowców poszukuje obecnie podobnych materiałów, które miękłyby przy pomocy elektryczności, ciepła czy określonych substancji chemicznych.
Dzięki swoim właściwościom nowy klej może mieć wpływ na naukę, medycynę i przemysł. Mocne i odwracalne kleje mają ogromny potencjał dla produktów gospodarstwa domowego, systemów robotycznych i montażu przemysłowego.
Źródło: University of Pennsylvania, fot. Pexels
