setas sintéticas

Las dos patas delanteras de un gecko tokay pueden soportar una fuerza de 20,1 N paralela a la superficie con un área de almohadilla de 227 mm², ^[  4 ^{] una fuerza} hasta 40 veces el peso del gecko. Los científicos han estado investigando el secreto de esta extraordinaria adhesión desde el siglo XIX, y al menos siete posibles mecanismos para la adhesión de los geckos se han discutido en los últimos 175 años. Ha habido hipótesis de pegamento, fricción, succión, electrostática , microenclavamiento y fuerzas intermoleculares . Las secreciones pegajosas se descartaron inicialmente en el estudio de la adhesión de los geckos, ya que los geckos carecen de tejido glandular en sus dedos. La hipótesis de la fricción también se descartó rápidamente porque la fuerza de fricción solo actúa en cizallamiento, lo que no puede explicar las capacidades adhesivas de los geckos en superficies invertidas. La hipótesis de que las almohadillas de los dedos actúan como ventosas fue refutada en 1934 por experimentos realizados en el vacío, en los que los dedos del gecko permanecieron adheridos. De manera similar, la hipótesis electrostática fue desmentida por un experimento que demostró que los geckos podían adherirse incluso cuando la acumulación de carga electrostática era imposible (como en una superficie metálica en aire ionizado por un haz de rayos X). El mecanismo de microenclavamiento, que sugería que las puntas curvas de las cerdas podían actuar como microganchos, también fue cuestionado por el hecho de que los geckos generan grandes fuerzas adhesivas incluso en superficies molecularmente lisas.

Las posibilidades finalmente se redujeron a fuerzas intermoleculares, y el desarrollo de la microscopía electrónica en la década de 1950, que reveló la microestructura de las setas en el pie del gecko, proporcionó más pruebas para apoyar esta hipótesis. El problema fue finalmente resuelto en el año 2000 por un equipo de investigación liderado por los biólogos Kellar Autumn del Lewis & Clark College en Portland, Oregón, y Robert Full en la Universidad de California en Berkeley. ^{[ 6 ]} Demostraron que la parte inferior del dedo de un gecko suele tener una serie de crestas, que están cubiertas por filas uniformes de setas, y cada seta se divide a su vez en cientos de extremos divididos y puntas planas llamadas espátulas (ver figura a la derecha). Una sola seta del gecko tokay tiene aproximadamente 110 micrómetros de largo y 4,2 micrómetros de ancho. Cada una de las ramas de una seta termina en una espátula delgada y triangular conectada en su ápice. El extremo tiene aproximadamente 0,2 micrómetros de largo y 0,2 micrómetros de ancho. ^{[ 5 ]} La adhesión entre la pata del gecko y las superficies es precisamente el resultado de la fuerza de Van der Waals entre cada seta y las moléculas de la superficie. Una sola seta puede generar hasta 200  μN de fuerza. ^{[ 7 ]} Hay aproximadamente 14 400 setas por milímetro cuadrado en la pata de un gecko tokay, lo que da como resultado un número total de aproximadamente 3 268 800 setas en las dos patas delanteras de un gecko tokay. De la ecuación para el potencial intermolecular:

${\displaystyle \Phi (R,D)=-{\frac {\rho _{1}\rho _{2}\pi ^{2}\alpha R}{6D}}}$

dónde${\displaystyle \rho _{1}}$y${\displaystyle \rho _{2}}$son el número de contactos de las dos superficies, R es el radio de cada contacto y D es la distancia entre las dos superficies.

Descubrimos que la fuerza intermolecular, o la fuerza de van der Waals en este caso, entre dos superficies, está fuertemente influenciada por el número de contactos. Esta es precisamente la razón por la que las patas del gecko pueden generar una fuerza de adhesión extraordinaria a diferentes tipos de superficies. El efecto combinado de millones de espátulas proporciona una fuerza adhesiva muchas veces mayor que la que el gecko necesita para colgarse del techo con una sola pata.

Las fuerzas sorprendentemente grandes generadas por los dedos del gecko ^{[ 8 ]} plantearon la pregunta de cómo los geckos logran levantar sus patas tan rápidamente —en solo 15 milisegundos— sin fuerzas de desprendimiento medibles. Kellar Autumn y su grupo de investigación descubrieron el «mecanismo de despegue» de las patas del gecko. Su descubrimiento reveló que el adhesivo del gecko funciona de manera «programable»: al aumentar el ángulo entre el eje de la seta y el sustrato a 30 grados, independientemente de la magnitud de la fuerza adhesiva perpendicular, los geckos «desactivan» la adherencia, ya que el aumento de la tensión en el borde posterior de la seta provoca la ruptura de los enlaces entre la seta y el sustrato. La seta entonces regresa a un estado predeterminado sin carga. Por otro lado, al aplicar una precarga y arrastrar a lo largo de la superficie, los geckos activan la adherencia modulada. Este mecanismo de «despegue» se puede mostrar en la figura de la derecha.

A diferencia de los adhesivos convencionales, el adhesivo de los geckos se vuelve más limpio con el uso repetido, por lo que se mantiene bastante limpio incluso en presencia de contaminantes cotidianos como arena, polvo, hojarasca y polen. Además, a diferencia de algunas plantas e insectos que tienen la capacidad de autolimpiarse mediante gotitas, los geckos no se acicalan las patas para conservar sus propiedades adhesivas; solo necesitan unos pocos pasos para recuperar su capacidad de adherirse a superficies verticales.

Kellar Autumn y su grupo de investigación han realizado experimentos para probar y demostrar esta capacidad del gecko. ^{[ 9 ]} También utilizan el modelo mecánico de contacto para sugerir que la autolimpieza ocurre por un desequilibrio energético entre las fuerzas adhesivas que atraen una partícula de suciedad al sustrato y las que atraen la misma partícula a una o más espátulas. En otras palabras, la energía de interacción de Van der Waals para el sistema partícula-pared requiere un número suficientemente grande de sistemas partícula-espátula para contrarrestarla; sin embargo, relativamente pocas espátulas pueden realmente adherirse a una sola partícula, por lo que las partículas contaminantes tienden a adherirse a la superficie del sustrato en lugar del dedo del gecko debido a este desequilibrio. La figura de la derecha muestra el modelo de interacción entre N espátulas, una partícula de suciedad y una pared plana.

Es importante saber que esta propiedad de autolimpieza parece ser intrínseca a la nanoestructura de las setas y, por lo tanto, debería ser reproducible en materiales adhesivos sintéticos. De hecho, el grupo de Kellar Autumn observó cómo la autolimpieza seguía ocurriendo en conjuntos de setas incluso cuando se aislaban de los geckos utilizados.

El diseño eficaz de adhesivos similares a los de los geckos requiere una comprensión profunda de los principios que rigen las propiedades observadas en el sistema natural. Estas propiedades, principios y parámetros relacionados del sistema adhesivo del gecko se muestran en la siguiente tabla. ^{[ 11 ]} Esta tabla también nos permite comprender cómo los científicos traducen esas buenas propiedades de las setas del gecko (como se muestra en la primera columna) en parámetros que pueden controlar y diseñar (como se muestra en la tercera columna).

* JKR se refiere al modelo de adhesión de Johnson, Kendall y Roberts ^{[ 12 ].}

En resumen, los parámetros clave en el diseño del adhesivo sintético para geckos incluyen:

• Patrón y periodicidad de las setas sintéticas
• Estructura jerárquica
• Longitud, diámetro, ángulo y rigidez de los ejes
• Tamaño, forma y rigidez de las espátulas (extremo de las satae)
• Flexibilidad del sustrato

Existe una lista cada vez mayor de propiedades de referencia que se pueden utilizar para evaluar la eficacia de las setas sintéticas, y el coeficiente de adhesión, que se define como:

${\displaystyle \mu ^{'}=F_{\text{adhesión}}/F_{\text{precarga}}}$

dónde${\displaystyle F_{\text{precarga}}}$es la fuerza de precarga aplicada y${\displaystyle F_{\text{adhesión}}}$es la fuerza de adhesión generada. El coeficiente de adhesión de las setas de los geckos reales suele ser de 8 a 16.

En los primeros desarrollos de setas sintéticas, se utilizaban con frecuencia polímeros como la poliimida , el polipropileno y el polidimetilsiloxano (PDMS) debido a su flexibilidad y facilidad de fabricación. Posteriormente, con el rápido desarrollo de la nanotecnología, los nanotubos de carbono (CNT) se convirtieron en la opción preferida de la mayoría de los grupos de investigación y se emplearon en la mayoría de los proyectos recientes. Los CNT poseen una relación longitud-diámetro mucho mayor que la de los polímeros y exhiben una resistencia y flexibilidad extraordinarias, además de buenas propiedades eléctricas. Son precisamente estas propiedades novedosas las que hacen que las setas sintéticas sean más efectivas.

Para la fabricación de cerdas sintéticas se aplican diversas técnicas de fabricación MEMS / NEMS , entre las que se incluyen la fotolitografía / litografía por haz de electrones , el grabado con plasma , el grabado iónico reactivo profundo (DRIE), la deposición química de vapor (CVD) y el micromoldeo, entre otras.

En esta sección, se presentarán varios ejemplos típicos para ilustrar el proceso de diseño y fabricación de setas sintéticas. Estos ejemplos también nos permitirán comprender el desarrollo de esta tecnología biomimética en los últimos años.

Pelo sintético de pata de gecko

A medida que se desarrollan la nanociencia y la nanotecnología, más proyectos implican la aplicación de la nanotecnología, en particular el uso de nanotubos de carbono (CNT). En 2005, investigadores de la Universidad de Akron y del Instituto Politécnico Rensselaer , ambos en Estados Unidos, crearon estructuras de setas sintéticas mediante la deposición de CNT de paredes múltiples por deposición química de vapor sobre sustratos de cuarzo y silicio. ^{[ 15 ]}

Los nanotubos tenían típicamente  un diámetro de 10 a 20 nm y  una longitud de aproximadamente 65 μm. Posteriormente, el grupo encapsuló los nanotubos alineados verticalmente en polímero PMMA antes de exponer los 25  μm superiores de los tubos mediante el grabado del polímero. Los nanotubos tendían a formar haces entrelazados de unos 50  nm de diámetro debido al proceso de secado con disolvente utilizado después del grabado (como se muestra en la figura de la derecha).

Los resultados se analizaron con un microscopio de sonda de barrido , que mostró una fuerza mínima por unidad de área de 1,6 ± 0,5 × 10⁻² ^nN  /nm² ^, mucho mayor que la cifra estimada por el equipo para la fuerza adhesiva típica de las setas de un gecko, que era de 10⁻⁴ nN/nm². Experimentos posteriores [16] con las mismas estructuras sobre cinta adhesiva revelaron que este material podía soportar una tensión de corte de 36 N/cm², casi cuatro veces mayor que la de la pata de ^un  gecko ^. Esta ^{fue la primera} vez que las setas sintéticas  mostraron ^mejores propiedades que las de la pata natural del gecko. Además, este nuevo material puede adherirse a una mayor variedad de materiales, incluyendo vidrio y teflón.

Este nuevo material presenta algunos problemas. Al estirarlo paralelamente a una superficie, la cinta se desprende, no porque los nanotubos de carbono pierdan adherencia, sino porque se rompen, y en este caso no se puede reutilizar. Además, a diferencia de las cerdas de los geckos, este material solo funciona en áreas pequeñas (aproximadamente 1  cm² ⁾ . Los investigadores están trabajando en diversas maneras de reforzar los nanotubos y también buscan que la cinta sea reutilizable miles de veces, en lugar de las decenas de veces que se puede usar actualmente.

Geckel

Si bien la mayoría de los avances se refieren a la adhesión en seco, un grupo de investigadores estudió cómo se podrían combinar derivados de compuestos adhesivos naturales de moluscos con estructuras tipo gecko para producir adhesivos que funcionen tanto en condiciones secas como húmedas . ^{[ 17 ]}

El adhesivo resultante, denominado 'geckel', se describió como una matriz de  pilares de silicona de 400 nm de ancho que imitan a los geckos, fabricados mediante litografía de haz de electrones y recubiertos con un polímero que imita a los mejillones, una forma sintética del aminoácido que se encuentra de forma natural en los mejillones (izquierda) .

A diferencia del pegamento de gecko tradicional, este material depende de las fuerzas de van der Waals para su adhesión y de la interacción química de la superficie con los grupos hidroxilo de la proteína del mejillón. El material mejora la adhesión en húmedo 15 veces en comparación con las matrices de pilares sin recubrimiento. La denominada cinta "geckel" se adhiere durante 1000 ciclos de contacto y liberación, manteniendo una fuerte adherencia tanto en ambientes húmedos como secos.

Hasta el momento, el material se ha probado en nitruro de silicio , óxido de titanio y oro, todos ellos utilizados en la industria electrónica. Sin embargo, para su uso en vendajes y cintas médicas, una aplicación potencial clave, debe ser capaz de adherirse a la piel humana. Los investigadores probaron otras proteínas sintéticas inspiradas en mejillones con grupos químicos similares y descubrieron que se adhieren al tejido vivo. ^{[ 17 ]}

Geckel es un adhesivo que puede adherirse tanto a superficies húmedas como secas. Su resistencia "proviene del recubrimiento de silicona fibrosa, de estructura similar a la pata de un gecko, con un polímero que imita el 'pegamento' utilizado por los mejillones". ^{[ 18 ]}

El equipo se inspiró en los geckos , que pueden soportar cientos de veces su propio peso corporal. Los geckos dependen de miles de millones de estructuras similares a pelos, conocidas como setas , para adherirse. Los investigadores combinaron esta capacidad con el poder adhesivo de los mejillones. Las pruebas demostraron que "el material podía pegarse y despegarse más de 1000 veces, incluso cuando se usaba bajo el agua", conservando el 85 por ciento de su fuerza adhesiva. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

Phillip Messersmith, investigador principal del equipo que desarrolló el producto, cree que el adhesivo podría tener muchas aplicaciones médicas, por ejemplo, cintas que podrían reemplazar las suturas para cerrar una herida y un adhesivo resistente al agua para vendajes y parches de administración de medicamentos. ^{[ 18 ]}

Para la producción comercial de estos adhesivos, serán necesarias técnicas de fabricación automatizadas y de alto volumen, las cuales están siendo investigadas por varios grupos de investigación. Un grupo liderado por Metin Sitti de la Universidad Carnegie Mellon estudió diversas técnicas, entre las que se incluyen el grabado iónico reactivo profundo (DRIE), que se ha utilizado con éxito para fabricar matrices de fibras poliméricas con forma de hongo, procesos de micromoldeo, autoensamblaje directo y fotolitografía.

En 2006, investigadores del Centro de Tecnología Avanzada de BAE Systems en Bristol, Reino Unido, anunciaron la producción, mediante fotolitografía, de muestras de "gecko sintético" —matrices de filamentos de poliimida con forma de hongo— con diámetros de hasta 100  μm. Se demostró que estos filamentos se adherían a casi cualquier superficie, incluso a las sucias, y se midió una fuerza de desprendimiento de 3000  kg/m². Más recientemente, la empresa ha utilizado la misma técnica para crear moldes de silicio con patrones para producir el material, sustituyendo la poliimida por polidimetilsiloxano (PDMS). Este último material presentó una resistencia de 220 kPa. La fotolitografía tiene la ventaja de ser una técnica ampliamente utilizada, bien comprendida y escalable a áreas muy grandes de forma económica y sencilla, lo que no ocurre con otros métodos empleados para fabricar prototipos de materiales.

En 2019, investigadores de Akron Ascent Innovations, LLC, una empresa derivada de la tecnología de la Universidad de Akron , anunciaron la disponibilidad comercial de los adhesivos secos de la marca " ShearGrip ". ^{[ 22 ]} En lugar de depender de la fotolitografía u otras estrategias de microfabricación, los investigadores emplearon la electrohilatura para producir fibras de pequeño diámetro basadas en el principio de división por contacto explotado por los geckos. El producto ha reportado una resistencia al corte superior a 80 libras por pulgada cuadrada, con una remoción limpia y reutilización en muchas superficies, y la capacidad de laminar el material a varios materiales de cara en construcciones de una o dos caras. ^{[ 23 ]} Se afirma que el enfoque es más escalable que otras estrategias para producir setas sintéticas y se ha utilizado para producir productos para mercados de consumo bajo la marca Pinless.

La " cinta nano " (también llamada "cinta gecko") se comercializa a menudo como cinta adhesiva de doble cara . Se puede usar para colgar objetos ligeros, como cuadros y elementos decorativos, en paredes lisas sin necesidad de perforarlas. Los conjuntos de nanotubos de carbono no dejan residuos al retirarlos y conservan su adherencia incluso a temperaturas extremas. ^{[ 24 ]}

Todavía no existe ninguna máquina capaz de maniobrar en régimen de escalada, es decir, de desenvolverse con agilidad en terrenos verticales sin perder competencia en terreno llano. El desarrollo de la robótica de escalada se enfrenta a dos grandes retos: primero, comprender, caracterizar e implementar la dinámica de la escalada (fuerzas de reacción de la pared, trayectorias de las extremidades, interacciones con la superficie, etc.); y segundo, diseñar, fabricar e implementar tecnologías de parches adhesivos que proporcionen las propiedades de adhesión y fricción adecuadas para facilitar las interacciones necesarias con la superficie.

A medida que avanza la robótica con patas , la investigación se ha centrado en el desarrollo de robots trepadores robustos. Se han desarrollado diversos robots capaces de trepar por superficies verticales planas mediante succión, imanes y conjuntos de pequeñas espinas que les permiten adherir sus pies a la superficie.

Se han propuesto adhesivos basados ​​en cerdas sintéticas para recoger, mover y alinear piezas delicadas como circuitos ultraminiatura, nanofibras y nanopartículas, microsensores y micromotores. A escala macroscópica, podrían aplicarse directamente a la superficie de un producto y sustituir las uniones con tornillos, remaches, adhesivos convencionales y lengüetas de enclavamiento en productos manufacturados. De este modo, se simplificarían tanto los procesos de montaje como de desmontaje. También sería beneficioso sustituir el adhesivo convencional por adhesivo sintético tipo gecko en entornos de vacío (por ejemplo, en el espacio), ya que el componente líquido del adhesivo convencional se evaporaría fácilmente y provocaría el fallo de la unión.