Materiały kompozytowe znane są ludzkości od wielu wieków. Kompozyty (materiały złożone) używane były już w Starożytnym Rzymie (beton) czy też na Bliskim Wschodzie w czasach p.n.e. (gliniane cegły wzmacniane słomą). Lawinowy rozwój materiałów kompozytowych rozpoczął się jednak dopiero w połowie lat 50. , zyskały one niezwykłą popularność, ponieważ były odpowiedzią na zapotrzebowanie na materiały o lepszych wskaźnikach konstrukcyjnych i eksploatacyjnych. W ostatnich latach cieszą się one bardzo dużym zainteresowaniem, zarówno w Polsce jak i na świecie. W naszym kraju działa już około 500 firm, które produkują tego typu materiały. Kompozyty znalazły zastosowanie w budownictwie, transporcie, przemyśle maszynowym, chemicznym i elektronicznym.
Wyzwaniem okazała się produkcja materiałów mocnych, wielokrotnego użytku, a przy tym takich, które przylegają do każdej możliwej powierzchni - płyt gipsowo-kartonowych, drewna, metalu czy szkła. Naukowcy od lat próbowali wyprodukować taki materiał. Badacze z University of Massachusetts Amherst w Stanach Zjednoczonych przedstawili materiał wzorowany na odnóżach gekona. Materiał ten cechuje się bardzo dobrą przyczepnością i możliwością przenoszenia obciążeń. Nie reaguje on w żaden sposób z daną powierzchnią i można go swobodnie odkleić. Tradycyjne kleje PSA (lepko-sprężyste materiały, które w postaci bezrozpuszczalnikowej pozostają stale lepkie w dotyku) także mogą przylegać do większości powierzchni przy użyciu niewielkiego docisku, jednakże podczas ich usunięcia może dojść do zanieczyszczenia lub uszkodzenia powierzchni. Te wady doprowadziły do badań nad nowym, nieniszczącym powierzchni, działającym ‘’na sucho’’ materiałem. Gekony posiadają zdolność przylegania i wspinania się po pionowych powierzchniach. Potrafią zwisać z sufitu przytrzymując się jedną nogą, nie pozostawiając śladu. Odpowiednio ukształtowane palce gekonów zapewniają bezpośrednie przyleganie do ciał. Na łapkach gekony mają specjalne twory (lamellae), pokryte mikroskopijnymi wyrostkami skórnymi (setae), o średnicy 5 mikrometrów (średnica włosa u człowieka to zakres od 18 do 180 mikrometrów). Z kolei każdy wyrostek skórny zakończony jest „łopatkami” (spatulae), o długości 0,2 mikrometra. Na każdy milimetr łapy gekona przypada około 14 tysięcy włosków. Pomimo tego, że są one elastyczne i zbudowane z kreatyny, charakteryzują się wysokim modułem i są sztywne. Duża liczba punktów zaczepienia oraz całkowita wielkość powierzchni jest wystarczająca, aby zapewnić wymaganą przyczepność. Ostatnie badania pokazały, że mechanizm jest bardziej skomplikowany, ponieważ oprócz szczeciny ważną rolę spełniają fosfolipidy-natłuszczające włoski, a także morfologia gekona (system skórno-ścięgno-kostny). Odnóża gekonów są dodatkowo hydrofobowe, samooczyszczają się z kurzu, piasku, pyłu czy innych zanieczyszczeń.
Badacze zaprojektowali materiał syntetyczny, wielokrotnego użytku, który zdolny był do dopasowywania się do dowolnej powierzchni (o dowolnej chropowatości) przy zachowaniu maksymalnej sztywności (utrzymanie około 300kg na taśmie o wymiarach 100cm2). Kleje zostały stworzone poprzez połączenie miękkich elastomerów ze sztywnymi tkaninami (włóknami szklanymi oraz włóknami węglowymi). Poprzez dostosowywanie względnej sztywności tych materiałów można optymalizować ‘’klej’’ do wielu zastosowań.
W poprzednich badaniach naukowcy wykazali równanie $F_{c} \approx \sqrt{G_{c}}*\sqrt{\frac{A}{C}}$ opisujące zdolność siły klejącej kompozytu. Gdzie Gc jest krytycznym odkształceniem, a parametr A/C nawiązuje do skali siły przyczepności materiałów nie tylko syntetycznych, ale także wielu struktur biologicznych (charakterystycznych dla gekonów, chrząszczy, much, pająków). Równanie to miało zastosowanie dla powierzchni gładkich (gdzie powierzchnia styku kleju oraz innego materiału była praktycznie idealna). Aby równanie to mogło być stosowane również dla powierzchni nierównych, wprowadzono dodatkowe funkcje. W ramach sprawdzenia poprawności założeń oraz porównania ich własności, naukowcy stworzyli trzy różne próbki (PU-A, PU-B i PU-C). Przeprowadzono doświadczenia na materiałach o różnej chropowatości takich jak: szkło, aluminium, teflon, szkło matowe, pomalowanej płycie gipsowej oraz poli(octanie winylu). Tabela poniżej zestawia wielkości sił adhezyjnych każdego z powstałych klejów oraz łapy żywego gekona. Próbki miały wymiary 4cm.
Badania ukazały, że próbki przewyższają w kwestii przyczepności na wszystkich badanych powierzchniach nawet kończyny żywego gekona. Odklejenie takiego materiału to kwestia pociągnięcia w danym kierunku, bez używania znaczącej siły. Kompozyty dodatkowo mogą być łatwo czyszczone, jeśli brud znajduje się na ich powierzchni.
Badacze przekonywali, że nowa technologia da możliwość wygodnego przyczepienia do ścian i sufitów nie tylko gadżetów elektronicznych, ale także sprzętu medycznego. Otwiera wielkie możliwości nowych technologii w domu, biurze lub na zewnątrz.
Co istotne łatwe mocowanie i możliwość wielokrotnego użytku nie pozostawia żadnych śladów oraz niepotrzebnych otworów, jak w przypadku dotychczasowych sposobów mocowania.
Kolejnym znaczącym osiągnięciem jest opracowanie nowej, superhydrofobowej powierzchni. Odkrycie najbardziej suchej powierzchni, jaka kiedykolwiek została stworzona przez człowieka, należy do naukowców z Massachusetts Institute of Technology w Bostonie. Powierzchnia jest opracowana w ten sposób, że krople wody nie przylegają do niej, a zamiast tego odbijają się. Powłoka posiada zdolność do pozostania suchą, czystą oraz może oprzeć się oblodzeniu. Naukowcy zminimalizowali czas kontaktu powłoki z kroplą wody. Inspiracją były liście nasturcji oraz skrzydła motyla Morpho. Do tej pory za najbardziej skuteczną, naturalną, hydrofobową powierzchnię uważano liść lotosu. Eksperyment polegał na filmowaniu ‘’odrzucenia’’ kropli wody przez stworzoną powierzchnię (fluorosilanu – H3FSi). Naukowcy zaprojektowali wypukłości na powierzchni (o wysokości około 100 mikrometrów), które nie zmniejszają powierzchni styku z wodą, ale powodują szybsze odbijanie się kropelek wody. Struktura ta powoduje rozbijanie się dużych kropli na mniejsze, asymetryczne. Odbiega to zupełnie od dotychczasowych badań dotyczących kąta zwilżenia. Dodanie małych wypukłości na powierzchni krzemu spowodowało szybsze odbicie wody (mniejszy kontakt wody z krzemem) o około 40%. Wadą większości superhydrofobowych materiałów jest to, że są to w większości polimery kruche, nieodporne na ścieranie lub działanie wysokich temperatur. Nowo powstałe struktury mogą zostać naniesione na metale, materiały ceramiczne tworząc materiały trwałe i superhydrofobowe.
Zastosowanie nowego materiału może być bardzo szerokie - przeniesienie projektu na produkcję wodoodpornej odzieży, namiotów, fartuchów laboratoryjnych, mundurów wojskowych czy też jako pokrycia samolotów, turbin wiatrowych oraz linii energetycznych. Powłoka może zapobiec gromadzeniu się lodu na skrzydłach samolotu, pozwolić na pracę w niższych temperaturach. Naukowcy mają nadzieję zredukować czas kontaktu wody z powierzchnią nawet do 70-80%. W badaniach powiem stosowane były pojedyncze grzbiety (wypukłości), natomiast motyle Morpho posiadają przecinające się wypukłości, które rozdrabniają kroplę na cztery części.
Źródła:
[1] Daniel R. King, Michael D. Bartlett, Casey A. Gilman, Duncan J. Irschick, Alfred J. Crosby. Creating Gecko-Like Adhesives for “Real World” Surfaces. Advanced Materials, 2014
[2] http://www.umass.edu/newsoffice/article/gecko-adhesives-now-useful-real-world
[3] Reducing the contact time of a bouncing drop. James C. Bird, Rajeev Dhiman, Hyuk-Min Kwon & Kripa K. Varanasi. Nature 503, 385–388
[4] http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-2500494
[5] http://web.mit.edu/newsoffice/2013/droplets-break-a-theoretical-time-barrier-on-bouncing-1120.html