Grâce à des éléments adhésifs spéciaux sur leurs pieds, geckos, les araignées et les coléoptères peuvent facilement courir le long des plafonds ou des murs. La science de la bionique a tenté d'imiter et de contrôler ces capacités bio-inspirées pour des applications technologiques et la création de matériaux artificiels. Une équipe de recherche de l'Université de Kiel (CAU) a réussi à augmenter de manière significative l'effet adhésif d'un matériau silicone. Faire cela, ils ont combiné deux méthodes :d'abord, ils ont structuré la surface à l'échelle micro sur l'exemple des pieds de scarabée, et ensuite traité avec du plasma. En outre, ils ont découvert que l'adhérence du matériau structuré change considérablement s'il est plié à des degrés divers. Entre autres domaines d'application, leurs résultats pourraient s'appliquer au développement de petits robots et de dispositifs de préhension. Ils ont été publiés dans les dernières éditions des revues scientifiques Matériaux avancés et Matériaux et interfaces appliqués ACS .

Les matériaux synthétiques élastiques tels que les élastomères de silicone sont très populaires dans l'industrie. Ils sont souples, réutilisable, bon marché et facile à produire. Ils sont donc utilisés comme joints, pour l'isolation, et comme protection anticorrosion. Cependant, en raison de leur faible énergie de surface, ils sont à peine adhésifs. Cela rend difficile la peinture des surfaces en silicone, par exemple.

Le professeur Stanislav N. Gorb et Emre Kizilkan du groupe de travail Morphologie fonctionnelle et biomécanique étudient comment améliorer les propriétés adhésives des élastomères de silicone. Leur exemple à imiter est la structure de surface de certains chrysomèles mâles (Chrysomelidae), ressemblant à des champignons. Dans deux études récentes, ils ont découvert que les élastomères de silicone adhèrent mieux si leur surface est modifiée en structures ressemblant à des champignons et ensuite spécifiquement traitée avec du plasma. Le gaz chargé électriquement est un quatrième état de la matière aux côtés des solides, liquides et gaz. Ainsi, les chercheurs ont combiné des méthodes géométriques et chimiques pour imiter la biologie. En outre, ils ont montré que le degré de courbure des matériaux affecte leur adhérence.

"Les animaux et les plantes nous fournissent une riche expérience sur certaines fonctionnalités incroyables. Nous voulons transférer les mécanismes qui les sous-tendent à des matériaux artificiels, pouvoir contrôler leur comportement de manière ciblée, " a déclaré le zoologiste Gorb. Leur objectif d'adhérence réversible dans la gamme micro sans colle traditionnelle pourrait rendre envisageables des applications complètement nouvelles - par exemple, en micro-électronique.

Lors de tests expérimentaux, les silicones sont courbés

Dans un premier temps, l'équipe de recherche a comparé des élastomères de silicone de trois surfaces différentes :une non structurée, un avec des éléments en forme de pilier et un troisième avec une structure en forme de champignon. A l'aide d'un micro-manipulateur, ils ont collé une boule de verre sur les surfaces, puis l'ont retirée à nouveau. Ils ont testé comment l'adhérence change lorsque les matériaux avec des surfaces microstructurées sont pliés convexes (vers l'intérieur) et concaves (vers l'extérieur). "De cette façon, nous avons pu démontrer que les matériaux en silicone avec une structure en forme de champignon et un concave incurvé ont la double plage de force d'adhérence, " a déclaré le doctorant Emre Kizilkan, premier auteur de l'étude. "Avec cette structure de surface, nous pouvons varier et contrôler le plus l'adhérence des matériaux."

Dans un deuxième temps, les scientifiques ont traité les élastomères de silicone avec des plasmas. Cette méthode est normalement utilisée pour fonctionnaliser les matières plastiques, afin d'augmenter leur énergie de surface et d'améliorer leurs propriétés adhésives. En comparaison avec d'autres méthodes utilisant des liquides, les traitements au plasma peuvent promettre une plus grande longévité, cependant, ils endommagent souvent les surfaces des matériaux.

Pour savoir comment les traitements plasma peuvent améliorer significativement l'adhérence d'un matériau sans l'endommager, les scientifiques ont fait varier différents paramètres, comme la durée ou la pression. Ils ont constaté que l'adhérence des surfaces non structurées sur un substrat de verre augmentait d'environ 30 % après le traitement au plasma. Sur la surface structurée en forme de champignon, l'adhérence a même augmenté jusqu'à 91 pour cent. "Ces résultats nous ont particulièrement surpris, parce que la surface structurée n'est que la moitié de la surface non structurée, mais l'amélioration de l'adhérence était trois fois meilleure après le traitement plasma, " a expliqué Kizilkan.

Que se passe-t-il lorsque les surfaces structurées traitées et non traitées sont retirées du substrat de verre, montrez les enregistrements avec une caméra à grande vitesse :en raison de son énergie de surface plus élevée, la microstructure traitée au plasma reste entièrement en contact avec la surface du verre pendant 50,6 secondes. Cependant, la surface de contact de la microstructure non traitée est rapidement réduite d'environ un tiers lors du processus de retrait, c'est pourquoi la microstructure se détache complètement du substrat de verre après 33 secondes déjà (figure 3).

"Nous avons donc sur une très petite surface une adhérence extrêmement forte avec une large gamme, " dit Kizilkan. Cela rend les résultats particulièrement intéressants pour les applications à petite échelle telles que les micro-robots. Les conclusions du groupe de travail de Kiel ont déjà abouti au développement d'un ruban adhésif extrêmement résistant, qui fonctionne selon le "principe du gecko, " et peut être retiré sans laisser de résidus.