Dokonując znaczącej zmiany w rozumieniu, naukowcy odkryli, że woda może w pewnych warunkach poprawić przyczepność, podważając wieloletnie przekonanie, że woda utrudnia ten proces. Odkrycie to może doprowadzić do postępu w dziedzinie klejów medycznych i innych zastosowań.
Naukowcy z Uniwersytetów w Akron i Uniwersytetu w Pittsburghu podważyli ugruntowane przekonania, przedstawiając nowe odkrycia, które pokazują, że woda może faktycznie wspomagać przyczepność. Dr Ali Dhinojwala, kierownik fundacji W. Geralda Austena i profesor HA Morton w Szkole Nauk o Polimerach i Inżynierii Polimerów na Uniwersytecie Akron, poprowadził zespół do tego znaczącego odkrycia. Ich przełom, ujawniający, że woda może zwiększyć przyczepność w określonych kontrolowanych warunkach, opublikowano w: Postęp nauki.
Konsekwencje tych badań są głębokie, szczególnie w zastosowaniach biomedycznych, takich jak bandaże, czujniki monitorujące stan wilgotnej skóry i zaawansowane kleje, które mogą zastąpić szwy. Uzyskana wiedza na temat wykorzystania chropowatości powierzchni i właściwości materiałów może zrewolucjonizować branże warte miliardy dolarów na całym świecie.
Jazda po mokrych drogach lub nakładanie taśm samoprzylepnych na wilgotną skórę to codzienne wyzwania, które dodatkowo pogarszają trudności w uzyskaniu dobrej przyczepności na mokrych, nierównych nawierzchniach. Tradycyjnie obecność wody była postrzegana jako przeszkoda zakłócająca wiązania molekularne niezbędne do skutecznej adhezji. Woda ma tendencję do przylegania do powierzchni i zatrzymywania się w chropowatości powierzchni, co jeszcze bardziej komplikuje proces przyczepności.
Przełomowe ustalenia i wspólny wysiłek
Do znaczącego przełomu przyczynił się zespół dr Dhinojwala — w skład którego wchodzili dr Tevis Jacobs z Uniwersytetu w Pittsburghu, dr Lars Pastewka z Uniwersytetu we Freiburgu i dr Anirudha Sumant z Argonne National Laboratory — dokonali odkrycia w badaniu obejmującym pomiary przyczepność miękkiego elastomeru do precyzyjnie zaprojektowanych chropowatych powierzchni, ujawniając złożoną zależność pomiędzy wodą, chropowatością powierzchni i dynamiką przyczepności.
Doktor Dhinojwala i doktorant Nityanshu Kumar przeprowadzili przełomowe podwodne eksperymenty i opracowali modele wyjaśniające wyniki. Chropowate powierzchnie przygotowano chemicznie w Argonne National Lab i scharakteryzowano aż do skali atomowej na Uniwersytecie w Pittsburghu. Symulacje interfejsu separującego przeprowadzono na Uniwersytecie we Fryburgu. Dochodzenie było możliwe jedynie dzięki uzupełniającej wiedzy specjalistycznej tego współpracującego zespołu.
Wbrew oczekiwaniom, obecność wody podczas tworzenia kontaktu początkowo zakłóca przyczepność, uniemożliwiając kontakt molekularny na prawie połowie powierzchni z powodu uwięzionych cząsteczek wody. Co więcej, energia potrzebna do odkształcenia elastomeru i dostosowania się do chropowatości powierzchni znacznie wzrasta w obecności wody, co dodatkowo zmniejsza początkową przyczepność.
Co zaskakujące, obecność wody, która zakłóca przyczepność podczas tworzenia styku, zwiększa przyczepność podczas odrywania prawie czterokrotnie. Za pomocą modeli analitycznych i spektroskopii czułej na powierzchnię wyniki wykazały, że woda jest uwięziona w kieszeniach o wielkości nanometrów. „Trudno nawiązać kontakt pod wodą, ponieważ do wyciśnięcia wody potrzeba dodatkowej energii i nie można jej całkowicie usunąć” – powiedział dr Jacobs. „Ale byliśmy bardzo zaskoczeni, gdy zobaczyliśmy, że ta sama uwięziona woda, która utrudnia dopychanie do siebie dwóch powierzchni, znacznie utrudnia także rozsuwanie tych samych powierzchni”.
„Odkrycia te podważają tradycyjny pogląd, że woda powszechnie utrudnia przyczepność” – stwierdziła dr Dhinojwala. „Rozumiejąc, jak woda oddziałuje z topografią powierzchni, możemy potencjalnie wykorzystać szorstkość do zwiększenia przyczepności, podobnie jak gekony używają opuszek palców do wspinania się po mokrych powierzchniach”.
Następnie zespół dr Dhinojwali zamierza skupić się na dalszym udoskonalaniu tych odkryć, aby opracować praktyczne zastosowania wykorzystujące zaskakujące zalety wody w nauce o adhezji.
Odniesienie: „Chropowatość na małą skalę zatrzymuje wodę i kontroluje przyczepność pod wodą”, Nityanshu Kumar, Siddhesh Dalvi, Anirudha V. Sumant, Lars Pastewka, Tevis DB Jacobs i Ali Dhinojwala, 7 sierpnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adn8343
