Einer neuen Studie zufolge kann die Anwendung von Strom für ein paar Sekunden auf ein weiches Material, wie eine rohe Tomaten- oder Hühnchenscheibe, dieses fest mit einem harten Gegenstand, wie einer Graphitplatte, verbinden, ohne dass Klebeband oder Kleber erforderlich ist. . Dieser unerwartete Effekt ist auch reversibel: Durch eine Änderung der Richtung des elektrischen Stroms lassen sich Materialien oft leicht trennen, sagen Wissenschaftler der University of Maryland. Mögliche Anwendungen einer solchen „Elektrohäsion“, die sogar unter Wasser funktionieren kann, könnten verbesserte biomedizinische Implantate und biologisch inspirierte Roboter umfassen.
„Es ist überraschend, dass dieser Effekt nicht früher entdeckt wurde“, sagt Srinivasa Raghavan, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der University of Maryland. „Das ist eine Entdeckung, die hätte gemacht werden können, seit wir Batterien hatten.“
In der Natur sind weiche Materialien wie lebendes Gewebe häufig mit harten Objekten wie Knochen verbunden. Frühere Forschungen haben chemische Wege untersucht, um dieses Kunststück zu erreichen, beispielsweise mit Klebstoffen, die die Art und Weise nachahmen, wie Muscheln an Felsen und Booten haften. Diese Verknüpfungen sind jedoch im Allgemeinen irreversibel.
Sie probierten verschiedene weiche Materialien wie Tomaten, Äpfel, Rindfleisch, Huhn, Schweinefleisch und Gelatine …
Zuvor entdeckten Raghavan und seine Kollegen, dass Elektrizität Gele an biologischem Gewebe haften lässt, eine Entdeckung, die eines Tages zu Gelpflastern führen könnte, die bei der Wundreparatur helfen können. Anstatt zwei weiche Materialien miteinander zu verbinden, untersuchten sie in der neuen Studie, ob Elektrizität dazu führen kann, dass ein weiches Material an einem harten Gegenstand haftet.
Die Wissenschaftler begannen mit einem Paar Graphitelektroden (bestehend aus einer Anode und einer Kathode) und einem Acrylamidgel. Sie legten drei Minuten lang fünf Volt an das Gel an. Überraschenderweise stellten sie fest, dass das Gel fest mit der Graphitanode verbunden war. Versuche, das Gel und die Elektrode zu trennen, führten typischerweise dazu, dass das Gel zerbrach und Stücke auf der Elektrode zurückblieben. Die Verbindung könnte nach dem Entfernen der Spannung offenbar unbegrenzt bestehen bleiben, wobei die Forscher die Gel- und Elektrodenproben monatelang zusammenkleben ließen.
Als die Forscher jedoch die Polarität des Stroms umkehrten, löste sich das Acrylamidgel von der Anode. Stattdessen bleibt es an der anderen Elektrode haften.
Raghavan und seine Kollegen experimentierten auf unterschiedliche Weise mit diesem neuen Elektroadhäsionseffekt. Sie probierten verschiedene weiche Materialien wie Tomaten, Äpfel, Rindfleisch, Huhn, Schweinefleisch und Gelatine sowie verschiedene Elektroden wie Kupfer, Blei, Zinn, Nickel, Eisen, Zink und Titan. Sie variierten auch die Intensität der Spannung und die Dauer, für die sie angelegt wurde.
Die Forscher fanden heraus, dass die im weichen Material vorhandene Salzmenge eine wichtige Rolle für den Elektroadhäsionseffekt spielt. Salz macht das weiche Material leitfähig und hohe Salzkonzentrationen könnten dazu führen, dass Gele innerhalb von Sekunden an den Elektroden haften bleiben.
„Es ist überraschend, wie einfach dieser Effekt ist und wie weit verbreitet er sein kann. »
Wissenschaftler haben außerdem herausgefunden, dass Metalle, die ihre Elektronen besser abgeben, wie Kupfer, Blei und Zinn, eine bessere Elektroadhäsion aufweisen. Im Gegensatz dazu schneiden Metalle, die ihre Elektronen stark zurückhalten, wie Nickel, Eisen, Zink und Titan, schlecht ab.
Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Elektroadhäsion aus chemischen Bindungen zwischen der Elektrode und dem weichen Material nach dem Elektronenaustausch resultiert. Abhängig von der Beschaffenheit der harten und weichen Materialien kam es zu Adhäsionen an der Anode, der Kathode, beiden Elektroden oder an keiner von beiden. Durch Erhöhen der Stärke der Spannung und der Dauer ihrer Anwendung erhöhte sich im Allgemeinen die Haftfestigkeit.
„Es ist überraschend, wie einfach dieser Effekt ist und wie weit verbreitet er sein könnte“, sagt Raghavan.
Zu den möglichen Anwendungen der Elektroadhäsion könnte die Verbesserung biomedizinischer Implantate gehören: Die Fähigkeit, Gewebe mit Stahl oder Titan zu verbinden, könnte zur Stärkung von Implantaten beitragen, sagen Forscher. Elektroadhäsion könne auch dazu beitragen, biologisch inspirierte Roboter mit starren, knochenähnlichen Skeletten und weichen, muskelähnlichen Elementen zu schaffen, fügen sie hinzu. Sie schlagen auch vor, dass die Elektroadhäsion zu neuen Batterietypen führen könnte, bei denen weiche Elektrolyte an harte Elektroden gebunden werden, obwohl unklar ist, ob eine solche Adhäsion einen großen Unterschied in der Leistung einer Batterie machen würde, erklärt Raghavan.
Die Forscher entdeckten auch, dass Elektroadhäsion unter Wasser stattfinden könnte, was ihrer Meinung nach ein noch breiteres Spektrum möglicher Anwendungsmöglichkeiten für diesen Effekt eröffnen könnte. Typische Klebstoffe funktionieren unter Wasser nicht, da sich viele nicht auf feste Oberflächen ausbreiten können, die in Flüssigkeiten getaucht sind, und selbst solche, die aufgrund von Flüssigkeitsinterferenzen normalerweise nur schwache Klebeverbindungen bilden können.
„Es fällt mir schwer, eine reale Anwendung dieser Entdeckung zu erkennen“, sagt Raghavan. „Es erinnert mich an die Forscher, die die Entdeckungen hinter Klettverschlüssen oder Haftnotizen gemacht haben: Die Anwendungen waren für sie zu dem Zeitpunkt, als die Entdeckungen gemacht wurden, nicht offensichtlich, aber die Anwendungen entwickelten sich im Laufe der Zeit.“
Wissenschaftler haben detailliert ihre Entdeckungen online am 13. März in der Zeitschrift ACS Central Science.
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