211service.com
Kleverige nanotape
Materiaalwetenschappers proberen al jaren gekko's in te halen. Kleefstoffen die, net als gekkopoten, droog, krachtig, herbruikbaar en zelfreinigend zijn, kunnen robots helpen muren te beklimmen of elektrische componenten bij elkaar te houden, zelfs in de barre omstandigheden van de ruimte. Maar het was moeilijk om sterke lijmen te ontwerpen die weer omhoog kunnen worden getild. Nu hebben onderzoekers een kleefstof ontwikkeld die is gemaakt van koolstofnanobuisjes waarvan de structuur sterk lijkt op die van gekkopoten. Het is 10 keer meer klevend dan de voeten van de hagedissen en, net als de natuurlijke kleefstof, gemakkelijk weer op te tillen. En het werkt op verschillende oppervlakken, waaronder glas en schuurpapier.
Gekko tape: Arrays van koolstofnanobuisjes met een verticaal uitgelijnd gedeelte (linksonder) en een vertakte, verwarde bovenlaag (rechtsonder) bootsen de structuren van gekkopoten na, maar zijn 10 keer meer hechtend.
Ontwikkeld door een groep onder leiding van kalksteen , een professor in materiaalkunde aan de Universiteit van Dayton, en Zhong Wang , directeur van het Center for Nanostructure Characterization bij Georgia Tech, is de lijm niet de eerste gemaakt van koolstofnanobuisjes. Het is echter veel sterker dan eerdere lijmen voor nanobuisjes. De vertakte structuur lijkt meer op de structuren op gekkopoten, die bedekt zijn met miljoenen microschaalharen die vertakken in vele kleinere haartjes, die elk een zwakke elektrische interactie hebben met een oppervlak. Deze vele zwakke interacties zorgen samen voor een sterke hechting over het gebied van de voet. Eerder hebben onderzoekers aangetoond dat arrays van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes vergelijkbare interacties hebben met een oppervlak.
Mensen hebben geprobeerd de structuren van de gekko na te bootsen, maar dat is niet eenvoudig, zegt Dai. Met behulp van een siliciumsubstraat groeiden hij en zijn groep arrays van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes met daarop een niet-uitgelijnde laag nanobuisjes, zoals rijen bomen met vertakte toppen. De houdkracht van deze nanobuis-arrays is ongeveer 100 newton per vierkante centimeter - genoeg voor een vier-bij-vier-millimeter-vierkant van het materiaal om een leerboek van 1480 gram te dragen. En de kleefeigenschappen waren hetzelfde bij testen op zeer verschillende oppervlakken, waaronder glasplaten, polymeerfilms en ruw schuurpapier.
Een voordeel van deze lijm boven andere is dat de sterkte sterk richtingsafhankelijk is. Wanneer het in een richting parallel aan het oppervlak wordt getrokken, is het erg sterk. Dat komt omdat de vertakte nanobuisjes uitgelijnd raken, zegt Dai. Maar wanneer het met weinig kracht wordt opgetrokken, zoals je een stukje plakband zou afpellen, verliezen de nanobuisjes één voor één het contact.
Multimedia
Bekijk de band in actie.
Hoe groter de kleefkracht, hoe beter, zegt Ali Dhinojwala , een professor in de polymeerwetenschap aan de Universiteit van Akron. Maar, zegt Dhinojwala, die ook aan koolstof-nanobuislijmen werkt, we moeten ook andere problemen oplossen voordat ze commercieel levensvatbaar zijn. Voor wandklimrobots is lijm nodig die keer op keer werkt zonder te slijten of verstopt te raken met vuil. We willen dat een robot meer dan 50 stappen zet in een vuile omgeving, zegt Dhinojwala. Niemand heeft sterke, op gekko's geïnspireerde lijmen aangetoond die dit kunnen. En lijmen voor nanobuisjes zullen op andere substraten moeten worden gekweekt dan tot nu toe zijn gebruikt. Koolstofnanobuisjes zijn gemakkelijk te kweken op siliciumwafels; het creëren van grote delen van de lijm zou geen probleem zijn. Maar we gaan geen siliciumwafels op robotvoeten plakken, zegt Dhinojwala.
Dai zegt dat de veelzijdigheid van koolstofnanobuisjes het vuilprobleem kan helpen oplossen. Deze structuren kunnen gemakkelijk worden gefunctionaliseerd met eiwitten en andere polymeren. Dai ontwikkelt klevende nanobuis-arrays die zijn gecoat met eiwitten die van vorm veranderen als reactie op temperatuurveranderingen. Een robot kan voeten hebben die warm worden als ze verstopt raken en vuil afstoten zodat hij kan blijven lopen.
Andere toepassingen van de lijm kunnen beter profiteren van de eigenschappen van koolstofnanobuisjes dan robotica zou doen. Koolstofnanobuisjes zijn zeer geleidend voor elektriciteit en hebben veelbelovende thermische eigenschappen, merkt Dai op. Nanobuiskleefstoffen die zijn gemaakt om soldeer te vervangen voor het bij elkaar houden van elektronische componenten, kunnen ook als koellichaam fungeren. Andere op gekko's geïnspireerde lijmen gemaakt van polymeren zijn niet bestand tegen hoge temperaturen, zegt Metin Sitti , die aan het hoofd staat van het nanorobotica-lab in Carnegie Mellon. Ruimtevaartuigen die nanobuiskleefstoffen gebruiken in plaats van polymeren kunnen naar warmere gebieden gaan.