Het was geen kleine uitdaging voor een team wetenschappers van de Johannes Kepler University Linz:
gerelateerde inhoud
- Naaktslakken inspireren supersterke lijm om wonden af te dichten
- Een nieuwe superlijm buigt zijn mosselen
Kunnen ze superlijm nog meer super maken?
De onderzoekers worstelden met een bijzonder netelig probleem: als het ging om het binden van materialen aan hydrogels - zachte, squishy objecten samengesteld uit polymeren gesuspendeerd in water - was geen lijm zeer effectief. Als de hydrogel werd uitgerekt, werd de binding bros en uit elkaar getrokken. (Stel je voor dat je twee Jell-O-kubussen aan elkaar wilt lijmen.) Het was een dilemma in de ontluikende velden van 'zachte' elektronica en robotica die afhankelijk zijn van hydrogels.
Hoewel ze al vele jaren worden gebruikt om wonden te dragen of in zachte contactlenzen, zijn hydrogels sinds kort een belangrijk onderdeel van een flink aantal innovatieve producten, variërend van elektronische "pleisters" die medicijnen kunnen leveren, tot rekbare elektronica tot kleine, gelei-achtige robots die in het lichaam van een persoon kunnen worden geïmplanteerd.
Wetenschappers kunnen met een ultraviolet lichtbehandeling hydrogels aan andere objecten bevestigen, maar het proces kan wel een uur duren. Dat is gewoon niet erg efficiënt, zegt Martin Kaltenbrunner, een van de Oostenrijkse onderzoekers.
"Dit overbruggen van de kloof tussen zachte en harde materialen is echt een grote uitdaging voor iedereen in het veld, " zei hij. “We waren echt op zoek naar een snelle prototyping, een doe-het-zelf methode om hydrogels aan diverse materialen te binden die snel en universeel is. Wat er was, was een beetje te onpraktisch om in onze laboratoria te implementeren en dagelijks te gebruiken. "
Het team dacht veel na over wat zou kunnen werken. Iemand stelde superlijm voor. Waarom niet, omdat hydrogels voornamelijk water zijn en superlijm dingen met elkaar verbindt omdat water de reactie veroorzaakt.
Maar zo gemakkelijk was het niet. Toen Kaltenbrunner en de andere onderzoekers gebruik maakten van kant-en-klare superlijm, werkte het niet zo goed. Nadat het was opgedroogd en de hydrogel was uitgerekt, barstte de binding opnieuw en faalde.
Toen kwam iemand op het idee om een niet-oplosmiddel toe te voegen, dat niet zou oplossen in de lijm en zou voorkomen dat het uithardt. Dat kan helpen om de lijm daadwerkelijk in de hydrogel te verspreiden.
En dat bleek het antwoord te zijn.
Het mengen van de cyanoacrylaten - de chemicaliën in superlijm - met een niet-oplosmiddel zorgde ervoor dat de lijm niet oploste, en wanneer materialen tegen elkaar werden gedrukt, diffundeerde de lijm in de buitenste lagen van de hydrogel. "Water veroorzaakt de polymerisatie van de cyanoacrylaten, " legde Kaltenbrunner uit, "en het raakt verstrikt in de polymeerketens van de gel, wat leidt tot een zeer taaie binding." Met andere woorden, de lijm kon naar beneden sijpelen onder het oppervlak van de hydrogel en verbind deze met zijn moleculen, waardoor binnen enkele seconden een sterke hechting ontstaat.
Het was duidelijk dat de onderzoekers ergens mee bezig waren toen ze een stuk hydrogel hechtten aan een elastisch, rubberachtig materiaal dat een elastomeer wordt genoemd. "Het eerste wat we herkenden, " zei Kaltenbrunner, "is dat de band nog steeds transparant en rekbaar was. We hebben echt al heel wat andere methoden geprobeerd, maar soms blijkt de eenvoudigste de beste. "
Hier is hun instructievideo over hydrogel lijmen:
De wetenschappers hebben hun nieuwe kleefstof op de proef gesteld door een strook "elektronische huid", een hydrogelband, te maken waarop ze een batterij, een processor en temperatuursensoren hebben gelijmd. Het zou gegevens aan een smartphone kunnen verstrekken via een draadloze verbinding.
Ze produceerden ook een prototype van kunstmatige wervels waarmee hydrogel werd gebruikt om verslechterende schijven in de wervelkolom te repareren. Met de lijm konden de wervels veel sneller dan normaal worden geassembleerd, volgens een rapport over het onderzoek, onlangs gepubliceerd in Science Advances.
Kaltenbrunner zei dat hij veel potentieel ziet voor de lijm als onderdeel van de 'zachte robotica-revolutie'. Het kan bijvoorbeeld worden opgenomen in upgrades van de 'octobot', de eerste autonome, volledig zachte robot die vorig jaar door wetenschappers van Harvard werd onthuld. Ongeveer de grootte van uw hand, de octobot heeft geen harde elektronische componenten - geen batterijen of computerchips. In plaats daarvan interageert waterstofperoxide met vlekken van platina in de robot, die gas produceert dat de tentakels van de octobot opblaast en buigt, waardoor het door water wordt voortgestuwd.
Voorlopig is die beweging grotendeels ongecontroleerd, maar wetenschappers hopen in staat te zijn om sensoren toe te voegen die het mogelijk maken om naar of van een object te manoeuvreren. Dat is waar de nieuwe lijm van pas kan komen.
Maar de toekomst van het nieuwe type superlijm krijgt nog steeds vorm. Kaltenbrunner schat dat het nog drie tot vijf jaar kan duren voordat het op de markt verkrijgbaar is. Toch voelt hij zich behoorlijk optimistisch.
"Omdat onze methode gemakkelijk te reproduceren is, " zei hij, "hopen we dat anderen ons zullen vergezellen bij het vinden van nog meer toepassingen."
