La investigación desafía la sabiduría convencional sobre la adhesión a superficies húmedas.

Introducción

El Dr. Ali Dhanojwala, catedrático W. Gerald Austin y profesor HA Morton en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Polímeros de la Universidad de Akron, dirige un equipo cuyo mayor avance (que el agua, en condiciones controladas impredecibles, puede aumentar la adhesión) fue publicado el 7 de agosto en Avances en la ciencia.

Implicaciones para los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS)

Las implicaciones de esta investigación son profundas, particularmente para aplicaciones biomédicas como vendajes, sensores de monitoreo de salud para piel húmeda y adhesivos avanzados que podrían reemplazar las suturas. Los conocimientos sobre cómo explotar la rugosidad de la superficie y las propiedades de los materiales podrían revolucionar industrias multimillonarias en todo el mundo.

Desarrollo de la investigación

Conducir sobre carreteras mojadas o aplicar cinta adhesiva sobre la piel mojada son desafíos cotidianos a los que se suma la dificultad de lograr una fuerte adherencia sobre superficies mojadas y rugosas. Tradicionalmente, la presencia de agua se ha considerado una barrera que altera los enlaces moleculares necesarios para una adhesión eficaz. El agua se adhiere a las superficies y queda atrapada en las asperezas de la superficie, lo que complica aún más el proceso de adhesión.

En un gran avance, el equipo del Dr. Dhanojwala (incluido el Dr. Tavis Jacobs de la Universidad de Pittsburgh, el Dr. Lars Pestoka de la Universidad de Friburgo y el Dr. Anirudha Samant del Laboratorio Nacional Argonne) hizo su descubrimiento en un estudio en el que un elastómero blando La medición de la adhesión a superficies rugosas diseñadas con precisión revela una interacción compleja entre el agua, la rugosidad de la superficie y la dinámica de la adhesión.

El Dr. Dhinujwala y el estudiante graduado Nitanshu Kumar realizaron experimentos submarinos en tierra y desarrollaron modelos para explicar los resultados. Las superficies rugosas se prepararon químicamente en el Laboratorio Nacional Argonne y se caracterizaron a escala atómica en la Universidad de Pittsburgh. Las simulaciones de la interfaz de separación se realizaron en la Universidad de Friburgo. La investigación sólo fue posible gracias a la experiencia complementaria de este equipo colaborativo.

Resultados y conclusiones

Contrariamente a lo esperado, la presencia de agua durante la formación del contacto inicialmente interrumpe la adhesión al impedir el contacto intermolecular en aproximadamente la mitad de la superficie debido a las moléculas de agua atrapadas. Además, la energía necesaria para deformar el elastómero y adaptarlo a la rugosidad de la superficie aumenta significativamente en presencia de agua, reduciendo aún más la adhesión inicial.

Sorprendentemente, la presencia de agua, que interrumpe la adhesión durante la formación del contacto, aumentó aproximadamente cuatro veces la adhesión durante el desprendimiento. Con la ayuda de modelos analíticos y espectroscopía sensible a superficies, estos resultados mostraron que el agua está atrapada en bolsas de tamaño nanométrico. “La comunicación es difícil bajo el agua porque se necesita energía adicional para exprimir el agua y no se puede sacarla por completo”, dijo el Dr. Jacobs, “pero nos sorprendió mucho ver que el mismo agua atrapada lo dificulta”. Juntar dos superficies hace que sea bastante difícil separar incluso la misma superficie”.

“Estos hallazgos desafían la visión convencional de que el agua es una barrera universal para la adhesión”, dijo el Dr. Dhanujwala. “Al comprender cómo interactúa el agua con la topografía de la superficie, potencialmente podemos utilizar la rugosidad para mejorar la adhesión, al igual que los geckos usan las almohadillas de sus dedos para escalar superficies mojadas”.

Próximos pasos

El próximo equipo del Dr. Dhinujwala planea concentrarse en perfeccionar aún más estos resultados para desarrollar aplicaciones prácticas que aprovechen los increíbles beneficios del agua en la ciencia de la adhesión.