L'équipe de recherche de NTU, dirigée par le professeur K Jimmy Hsia, a trouvé un moyen de maximiser l'adhérence des adhésifs intelligents en utilisant des polymères à mémoire de forme, qui peuvent coller et se détacher facilement en cas de besoin simplement en les chauffant.

Écrit le mois dernier dans la revue National Science Review , l'équipe détaille sa percée en matière d'adhésion en concevant le matériau polymère à mémoire de forme sous la forme de fibrilles ressemblant à des cheveux.

Cet adhésif intelligent peut supporter des poids extrêmement lourds, ouvrant de nouvelles possibilités pour les pinces robotiques qui permettent aux humains d'escalader les murs sans effort, ou pour les robots grimpants qui peuvent s'accrocher aux plafonds pour des applications d'enquête ou de réparation.

Le professeur Hsia, président de la chaire de génie mécanique de la NTU School of Mechanical &Aerospace Engineering (MAE) et de la School of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, a déclaré :« Cette recherche est basée sur une compréhension fondamentale des mécanismes des forces d'adhésion sur les surfaces rugueuses. Cela peut nous aider à développer des adhésifs très résistants, mais facilement détachables, adaptables aux surfaces rugueuses. La technologie sera très utile dans les préhenseurs adhésifs et les robots grimpeurs et pourrait un jour permettre aux humains d'escalader les murs comme un vrai Spider-Man. P>

Les polymères à mémoire de forme sont des matériaux qui peuvent conserver des « souvenirs » de leur forme précédente et reprendre leur forme originale après avoir été déformés par l'application de stimuli externes tels que la chaleur, la lumière ou le courant électrique. Ces propriétés les rendent idéales pour être utilisées comme adhésifs commutables pouvant s'adapter à diverses surfaces.

Lors de leurs tests, les chercheurs ont utilisé un polymère à mémoire de forme appelé époxy E44, un plastique rigide semblable à du verre à température ambiante. Lors du chauffage, le matériau se transforme en un état semblable à du caoutchouc souple qui peut se conformer et se verrouiller sur les coins et crevasses microscopiques. En refroidissant, il devient vitreux, créant des liaisons adhésives très fortes grâce à un effet de verrouillage de forme.

Lorsque le matériau est réchauffé, il retrouve son état caoutchouteux afin de pouvoir être retiré et facilement détaché de la surface à laquelle il s'accrochait.

Les chercheurs ont découvert que l’adhésion la plus efficace provenait de la conception du polymère à mémoire de forme en un ensemble de fibrilles ressemblant à des cheveux. Chaque fibrille devait être soigneusement conçue :les fibrilles plus grosses avaient une adhérence plus faible, tandis que les fibrilles plus petites étaient difficiles à fabriquer et sujettes à l'effondrement et à la dégradation. Le sweet spot avait un rayon compris entre 0,5 mm et 3 mm, repoussant les limites de l'adhérence tout en conservant l'intégrité structurelle.

Au cours de leurs expériences, les chercheurs ont découvert qu'une fibrille présentant un diamètre ² de 19,6 mm la section transversale pourrait supporter des charges allant jusqu'à 1,56 kg. Chaque fibrille supplémentaire permet de supporter plus de poids. Un réseau de 37 fibrilles de la taille d'une paume, pesant environ 30 g, peut supporter un poids de 60 kg, soit le poids d'un humain adulte.

Le premier auteur du document de recherche, le Dr Linghu Changhong, chercheur à NTU, a déclaré :« Notre adhésif intelligent illustre la façon dont les polymères à mémoire de forme peuvent maintenir et même améliorer l'adhésion à mesure que la rugosité de la surface augmente. Cela surmonte le « paradoxe de l'adhésion » que les scientifiques ont intrigué. plus, où il y a une diminution de la force d'adhésion sur les surfaces rugueuses malgré une plus grande surface à laquelle les molécules peuvent adhérer.

"Nos tests ont montré que la force d'adhésion du polymère augmente avec la rugosité de la surface lorsqu'il est à l'état solide et diminue lorsqu'il est à l'état caoutchouteux."

L'auteur co-correspondant, le professeur Gao Huajian, ancien professeur émérite de l'école de MAE de NTU et actuellement professeur à l'université Xinghua à l'université Tsinghua, a déclaré :« Pour des raisons pratiques de préhension, l'adhésif doit être suffisamment résistant pour coller sur une surface, mais Ils se détachent également facilement en cas de besoin. La commutation entre les deux modes est vitale pour les applications pratiques. Les adhésifs plus résistants peuvent supporter des charges plus lourdes, mais ont tendance à être plus difficiles à détacher :c'est ce que nous appelons un « conflit de commutation ».

"Nos recherches sur les polymères à mémoire de forme ont abouti à un adhésif qui peut facilement durcir pour coller sur des surfaces, et tout aussi facilement se ramollir pour se détacher, tout en étant capable de supporter des poids lourds, y compris celui d'un être humain."

Le professeur Hsia a ajouté :"Les adhésifs polymères à mémoire de forme que nous avons conçus ont surmonté à la fois le paradoxe de l'adhésion et le conflit de commutabilité, fournissant ainsi des lignes directrices pour le développement d'adhésifs plus résistants et plus commutables, adaptables aux surfaces rugueuses."

Ouvrir la voie au matériel d'escalade collant

Le détachement du polymère à mémoire de forme alors qu'il est fixé sur une surface à l'état de verre nécessite moins d'une minute de chauffage à l'aide d'un sèche-cheveux pour amener la température à 60°C. A l'inverse, pour la fixation, il faut environ trois minutes pour que le matériau refroidisse complètement et se verrouille en place.

La température à laquelle le polymère change d'état peut être contrôlée en ajustant les rapports des composants utilisés pour former le polymère. Cela permet au polymère d'être utilisé dans des environnements extrêmes, tels que des conditions météorologiques chaudes. Lors de leurs tests, les chercheurs ont fixé la température à laquelle le polymère se détache à 60°C, une température qui s'écarte des conditions réelles les plus confortables.

Cette capacité du matériau à attacher et à détacher en utilisant uniquement la chaleur lui permet d'agir comme une super colle réutilisable qui ne laisse pas de résidus collants sur les murs. Il peut également être utilisé comme pince souple capable de coller sur des objets présentant diverses textures de surface et de les maintenir de manière fiable pendant de longues périodes.

Le Dr Changhong a déclaré :« À l'heure actuelle, les temps de chauffage et de refroidissement, ainsi que les changements de température, limitent le nombre de cas d'utilisation réels. Cependant, nos résultats montrent qu'il est possible de réduire les temps d'attente à quelques secondes seulement, et les températures de commutation peuvent être abaissées jusqu'à une température proche de celle du corps, ouvrant considérablement les possibilités d'application.

"Les stimuli permettant de faire passer le matériau d'un état à un autre peuvent également être différents, comme l'utilisation d'un courant électrique ou d'une lumière."

À l’avenir, l’équipe de recherche vise à réduire le temps de refroidissement nécessaire à l’adhésion. L'équipe envisage que l'adhésif pourrait éventuellement être utilisé dans des équipements d'escalade, tels que des gants et des bottes, qui permettraient aux grimpeurs de se coller aux murs et de les escalader. Les robots pourraient également être équipés du matériel nécessaire pour créer des robots grimpant aux murs, utiles dans de nombreux secteurs tels que la construction et l'arpentage des bâtiments.