211service.com
Lijm die aan bijna alles kleeft
Flexibele displays, waterzuiveringsfilters en materialen die warmte direct in elektriciteit omzetten, zijn mogelijk gemakkelijker te maken dankzij een nieuw polymeer waarmee onderzoekers bijna elk object, zelfs een van teflon, kunnen coaten met microscopisch kleine patronen van metalen en organische materialen.
Kleverige inspiratie: De chemie van eiwitstrengen die mosselen gebruiken om zich aan bijna elk type materiaal te hechten (de mossel is hier gehecht aan teflon) heeft onderzoekers geholpen een nieuwe, veelzijdige kleefstof te ontwikkelen.
Onderzoekers van de Northwestern University ontwierpen het polymeer om een op eiwitten gebaseerde lijm na te bootsen die mosselen gebruiken om zich te hechten aan rotsen, hout, plastic en staal, eigenlijk zowat elk materiaal dat ze tegenkomen. De onderzoekers, onder leiding van Phillip Messersmith , een professor in biomedische technologie en materiaalkunde en techniek aan Northwestern, identificeerde een gemakkelijk te maken verbinding die lijkt op actieve elementen in deze mossellijm. Ze ontdekten dat de verbinding onder de juiste omstandigheden een extreem dunne polymeerfilm vormt op het oppervlak van zowat elk materiaal waarop het wordt aangebracht. Deze film kan op zijn beurt chemisch binden aan een grote verscheidenheid aan materialen die nuttige functies hebben. Er zijn veel andere methoden ontwikkeld om materialen te functionaliseren, maar volgens Marcus Tekstor , een materiaalprofessor aan het Federale Instituut voor Technologie in Zwitserland, valt deze op omdat hij eenvoudig en extreem veelzijdig is. Wat ik fascinerend vind, is dat dit een relatief eenvoudig systeem is, zegt Textor. Vaak moet men voor een bepaalde ondergrond een bepaalde oplossing vinden. Maar dit is een universele lijm die op veel verschillende ondergronden werkt.
Met de nieuwe lijm kan bijna elk object gemakkelijk en goedkoop worden gecoat met een fineer van metaal of een ander functioneel materiaal, inclusief materialen die objecten bacterievrij houden of de groei van specifieke soorten cellen stimuleren. De coatings zouden zo dun zijn dat ze de vorm van het onderliggende object niet zouden veranderen; een chirurgisch instrument, zegt Messersmith, zou een antibacteriële coating kunnen krijgen zonder de prestaties in gevaar te brengen. Een toepassing die de Noordwest-onderzoekers hebben onderzocht, zijn waterfilters die kleine pellets gebruiken die met de lijm zijn bedekt. Terwijl water door een cilinder vol met pellets stroomt, trekt de lijm giftige metalen uit het water door zich eraan te binden.
De onderzoekers hebben ook aangetoond dat de lijm door middel van conventionele microlithografie in ingewikkelde patronen kan worden gesneden. Als een oplossing met metaalzouten over zo'n patroon spoelt, blijft metaal alleen aan de lijm plakken. Dit zou een manier kunnen zijn om elektronische schakelingen op zowat elk object te printen. Afgezet op een flexibel substraat, zouden dergelijke circuits nuttig kunnen zijn voor flexibele displays. Het vermogen om microscopische patronen van organische materialen te creëren kan ook nuttig zijn voor biologen. De Noordwest-onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om coatings te maken die binden aan een specifiek type zuur dat belangrijk is voor de groei van bloedvaten en stamceldifferentiatie. Het vermogen om precieze patronen van dit en andere organische materialen te deponeren, zou het gemakkelijker kunnen maken om microfluïdische apparaten te bouwen die biologische mechanismen helpen verklaren.
multimedia
Kijk hoe water zich vastklampt aan een oppervlak dat is bedekt met de nieuwe lijm.
Zie hoe de nieuwe lijm een waterafstotend materiaal creëert.
Om de nieuwe lijm te ontwikkelen, bestudeerden de onderzoekers de chemische componenten van een eiwit in mossellijm, waarbij belangrijke functionele chemische groepen werden geïdentificeerd. In eerder werk hadden ze een lijm gemaakt op basis van een van deze groepen. (Zie Nanoglue Sticks Underwater.) Maar de resulterende lijm werkte alleen met anorganische materialen en was moeilijk te maken. De nieuwe lijm bevat twee chemische groepen die voorkomen in mossellijm, in plaats van slechts één. Door de combinatie kan de lijm zich binden aan zowel organische als anorganische materialen. Bovendien is de nieuwe lijm direct beschikbaar. De onderzoekers merkten op dat de twee chemische groepen, aminen en catecholen, worden aangetroffen in dopamine, een verbinding die het best bekend staat als een neurotransmitter. Bij het juiste pH-niveau assembleert dopamine zichzelf tot polymeerketens om dunne films van de lijm te produceren. Het wordt ook commercieel verkocht en het is goedkoop.
De lijm, die wordt beschreven in het huidige nummer van Wetenschap , trekt nu al de aandacht van andere onderzoekers. Bijvoorbeeld, Nicholas Kotov , een professor in chemische technologie aan de Universiteit van Michigan, is van plan het te gebruiken om thermo-elektrische materialen te maken - materialen die warmte direct omzetten in elektriciteit. Dergelijke materialen moeten elektriciteit goed geleiden, maar slecht verwarmen. Kotov zegt dat het mogelijk is om de lijm te gebruiken om elektrisch geleidende materialen zoals koolstofnanobuisjes aan elkaar te binden. De lijm zelf zou als thermisch isolerende laag kunnen dienen, zegt hij.
Een andere onderzoeker, Herbert Waite , een professor in moleculaire, cellulaire en ontwikkelingsbiologie aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara, noemt het werk van Messersmith erg interessant. Maar hij merkt enkele beperkingen op die kunnen worden overschreden door verder onderzoek van de mossel die als inspiratiebron diende. Messersmith's lijm kan alleen worden aangebracht onder omstandigheden waarin de concentraties van de dopamine- en pH-waarden strikt worden gehandhaafd. In het ideale geval, zegt Waite, zou het fijn zijn om een lijm te hebben die, net als die van de mossel, op elk substraat kan worden aangebracht, zelfs in water, zonder externe controle van omgevingsparameters.