Adherido como un Geko

Por Silvia Román en http://mappingignorance.org/2014/06/20/stuck-like-gecko/

Todos conocemos la historia de que el ingeniero suizo que se hizo famoso con el sistema de fijación de pegado (también conocido bajo el nombre de marca Velcro ) con sólo prestar atención a la planta bardana pegada en la ropa y la piel de su perro después de un paseo en los Alpes. Cuando puso estas rebabas en el microscopio se reveló una serie de "ganchos", una manera perfecta para esta planta para difundir sus semillas con la ayuda de los transeúntes.

Examinar cómo la naturaleza resuelve problemas complejos ha sido siempre un punto de partida inteligente para los científicos de materiales, y esto se aplica especialmente al campo de la adherencia (bio-inspiración). La adhesión es principalmente un fenómeno superficial que consiste en dos superficies diferentes que se aferran la una a la otra. La complejidad de este problema varía dependiendo de la química y la rugosidad de estas superficies y el tipo de adhesión que queremos lograr (permanente o temporal, fuertemente conectada o fácilmente extraíble). Pero ha pasado mucho tiempo desde que los científicos encuentran en la naturaleza un excepcional ejemplo para imitar, es decir, el mecanismo de adhesión del gecko.

Los Geckos son muy bien conocidos por su capacidad para pegarse a casi todas las superficies, incluso vidrio o teflón, de una manera vertical u invertida, con una liberación fácil y sin dañar la superficie de ninguna manera. Parece obvio que esta extraordinaria propiedad ha sido objeto de muchos investigadores en el campo de la adhesión, pero no fue hasta 2000 que una explicación completa y coherente estuvo a cargo de los profesores Kellar Autumn y Robert  1 .

Figura 1. Tarentola mauritanica , una especie de gecko también conocido como Salamanquesa. | Crédito: Wikimedia Commons

Autumm y Full descubrieron una estructura jerárquica sofisticados en los gecko sobre todo en la almohadilla del dedo del pie: en la mesoescala una serie de aletas laminares, también conocidas como escansores , son responsables de la adhesión a gran escala (figura 2b). Estas aletas se componen de tejido del tendón rígido apenas cubierto por la superficie de la piel. En la microescala, estos escansores presentan un gran número de setas (figura 2c y 2d) que a su vez termina en cientos de ramas fibrilares con puntas de espátula en el rango de la nanoescala (figura 2e). Este hallazgo ha permitido a los investigadores hablar de un fenómeno de nanoadhesion, gobernados por fuerzas de van der Waals.

Figura 2. Gecko del dedo del pie almohadillas presentan una estructura jerárquica que va desde las láminas de mesoescala a la espátulas nanoescala. | Crédito: Otoño K., Gravish N., (2008). Gecko adhesión: la tecnología evolutiva,Philosophical Transactions de la Royal Society A , vol. 366, pp 1575-1590.

La mayoría de los esfuerzos llevados a cabo para imitar la fuerte capacidad adhesiva de los geckos estan orientado a reproducir esta estructura nanofibrillar con pelos sintéticos (figura 2f) hecha de polímeros tales como poliamida, polipropileno o incluso el uso de nanotubos de carbono. Sin embargo, este enfoque todavía presenta varios inconvenientes, el más importante de ellos es la dificultad de su fabricación, la escasa reutilización de estas fibrillas de tamaño nanométrico y los modestos resultados en términos de capacidad de fuerza de adhesión logrado en "superficies reales".

Un nuevo enfoque interesante a este problema de la producción de adhesivos gecko como ha sido publicado recientemente por investigadores de la Universidad de Massachusetts 2 . La novedad de su estudio radica en el hecho de que, a diferencia de muchos otros trabajos anteriores, no se centra en la estructura nano-fibrilar de las almohadillas del dedo del pie del gecko, sino en el sistema formado por estas almohadillas de superficie junto con el sistema de tejido del tendón detrás de ellos. De acuerdo con este enfoque, la fuerte capacidad adhesiva de gecko es debido a la rigidez de la estructura de sub-superficie, lo que permite una adhesión a gran escala en una amplia gama de superficies, y la suavidad de su piel, que se ajusta a la superficie micro-topografía , no importa qué tan suave o áspera sea.

Manteniendo este concepto en mente, un nuevo material adhesivo ha sido desarrollado que consiste de una almohadilla de elastómero blando, que proporciona la suavidad necesaria para crear un contacto íntimo con una amplia variedad de superficies en el intervalo de micras o escalas más pequeñas, y una tela rígida hecha de fibra de carbono de tejido integrado en este cojín de elastómero, que actúa como el sistema de tendón característico de los pies de geco, el responsable de la adherencia a gran escala.

Figura 3. Un esquema del nuevo adhesivo gecko-como que consiste en una almohadilla de elastómero integrado con una tela rígida, imitando el sistema formado por el sistema de tendón y la nano-estructura de la piel de los pies del gecko (izquierda). Como la rugosidad superficial aumenta, se alcanza la capacidad máxima para adhesivo menor módulo de elastómero (derecha).

Este nuevo adhesivo ha sido creado en el supuesto de que el parámetro de escala clave que regula la capacidad de la fuerza adhesiva es, donde A es el área de contacto entre las dos superficies que intervienen, y C es el cumplimiento en la dirección de carga. Por lo tanto, un verdadero buen adhesivo debería ser suficiente para maximizar el área de contacto con el sustrato blando, y al mismo tiempo lo suficientemente rígido como para distribuir las fuerzas de cizallamiento a través de una amplia zona para minimizar los efectos de elasticidad.

El material compuesto resultante es una combinación de un poliuretano de bajo módulo (que va de 0,3 a 3 MPa) y un tejido de fibra de carbono de alto módulo (40 GPa) fácilmente adaptable a diferentes tamaños y superficies. Para cada rugosidad de la superficie específica no es un módulo de elastómero óptima en la que la capacidad adhesiva alcanza su valor máximo (figura 3) y, como la rugosidad de sustrato aumenta, este máximo se desplaza a menor módulo de elastómero, permitiendo así la suavidad necesaria requerida para ajustarse a la topografía de la superficie.

. Figura 4 El adhesivo de gecko como mantiene su fuerza de adherencia para diferentes tamaños: 340 g de un adhesivo de 1cm2 (foto a la izquierda) y 34 kg de 100cm2 adhesiva (imagen de la derecha) durante un panel de yeso. | Crédito: King et al (2014).

La obtención de adhesivos reutilizables con alta fuerza de adhesión sobre los ciclos repetidos junto con una fácil liberación es una tarea muy difícil. Los resultados de este nuevo material son muy prometedores, no sólo respecto a las fuerzas adhesivas obtenidos, sino también debido a su capacidad de mantener estas fuerzas en diferentes escalas (figura 4) y en una amplia variedad de superficies, desde la más suave (vidrio, teflón ) hasta las más duras (drywall pintado, piedra de hormigón, madera).

Con todo, parece que la imitación de la forma en que la naturaleza se las arregla para resolver problemas complejos es cualquier cosa menos único, y depende en gran medida de cómo interpretamos lo que vemos y donde giramos el centro de atención. En el campo de la ciencia de los materiales, es especialmente importante para seguir con éxito el camino desde la mesa del laboratorio al mercado, y eso significa que los materiales viables, eficientes y rentables. Es por eso que este nuevo adhesivo de gecko como parece un muy buen ejemplo de Bioinspiration bien orientada directamente aplicado a problemas de adherencia "mundo real".

Referencias

1. Otoño K., Liang, YA, Hsieh, ST, Zesch, W. Chan, WP., Kenny, WT, Temiendo, R. y completa, RJ (2000), la fuerza adhesiva de un gecko solo pie-del cabello, de la naturaleza, Vol.. 405, pp 681-5. ↩
2. Rey DR, Casey A. Gilman, Duncan J. Irschick & Alfred J. Crosby (2014). Creación de Gecko-Like Adhesivos para superficies "mundo real", Materiales Avanzados, n / an / a. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/adma.201306259 ↩

Salu2 a tod@s y Felíz cumpleaños a mi modelo favorita Vanessa pues esta de cumple.

Mr. Moon.

La vida es un 10% como viene y un 90% como la tomamos.