CIQTEK SEM supporta la pubblicazione su Advanced Functional Materials sugli idrogel adesivi a temperatura controllata

Il team del Professor Lai Yuekun dell'Università di Fuzhou ha condotto una ricerca innovativa per rispondere all'urgente domanda di idrogel adesivi ad alta resistenza in settori come i sensori indossabili, la robotica morbida, l'ingegneria tissutale e le medicazioni per ferite. Attualmente, i materiali adesivi di interfaccia si trovano ad affrontare due importanti sfide tecniche: in primo luogo, la difficoltà nel raggiungere una commutazione rapida e reversibile tra stato adesivo e non adesivo; in secondo luogo, le scarse prestazioni di adesione in ambienti multi-liquido. Di recente, il team ha condotto studi approfonditi utilizzando il Microscopio elettronico a scansione CIQTEK .

L'idrogel PANC/T è stato sintetizzato a partire da acrilammide (AAm), N-isopropilacrilammide (NIPAM), una soluzione micellare composta da sodio dodecil solfato/metil ottadecil metacrilato/cloruro di sodio (SDS/OMA/NaCl) e acido fosfotungstico (PTA). Le interazioni dinamiche tra le catene di PNIPAM e SDS hanno permesso l'adesione e la separazione su richiesta. Un'ulteriore immersione in soluzione di Fe³⁺ ha prodotto l'idrogel PANC/T-Fe, che raggiunge una forte adesione in diversi ambienti umidi. Ciò ha portato allo sviluppo di un idrogel adesivo di interfaccia intelligente con rapida reattività, in grado di garantire adesione e separazione controllate in diverse condizioni di umidità.

La ricerca è stata pubblicata in Materiali funzionali avanzati con il titolo "Idrogel adesivi controllabili a temperatura mediata con straordinarie proprietà di adesione a umido basate su interazioni dinamiche tra catene".

Sintesi e caratteristiche strutturali dell'idrogel adesivo controllabile

L'idrogel PANC/T-Fe viene sintetizzato mediante copolimerizzazione di AAm idrofilo, NIPAM anfifilo e OMA idrofobo. Il PTA agisce da reticolante, formando legami a idrogeno con i gruppi amminici sulle catene polimeriche per stabilire una rete stabile. Il team ha scoperto che le interazioni tra NIPAM e SDS sono fondamentali per l'adesione termosensibile dell'idrogel. A temperature inferiori, l'SDS cristallizza e aderisce alle catene PNIPAM, impedendo ai gruppi funzionali adesivi di interagire con i substrati e riducendo l'adesione. All'aumentare della temperatura, i cristalli di SDS fondono, migliorando il contatto tra i gruppi adesivi e i substrati e aumentando significativamente l'adesione. Il PTA migliora l'adesione a temperature più elevate interagendo fisicamente con i gruppi amminici del polimero; questa interazione si indebolisce con il riscaldamento, ammorbidendo l'idrogel e generando più siti adesivi. La regolazione dinamica tra le catene polimeriche consente un'adesione reversibile e on-demand.

Figura 1. Sintesi dell'idrogel e meccanismo di adesione umida reversibile.

Meccanismo di regolazione della temperatura delle prestazioni di adesione

Attraverso esperimenti comparativi, il team ha confermato che l'effetto sinergico di NIPAM e della soluzione micellare è fondamentale per l'adesione termosensibile dell'idrogel. I risultati della calorimetria differenziale a scansione (DSC) indicano che la risposta alla temperatura non è correlata alla temperatura critica inferiore (LCST) di NIPAM, ma influenzata dalle interazioni NIPAM-SDS, che alterano la temperatura di cristallizzazione dell'SDS. I test FT-IR in situ hanno rivelato che l'aumento della temperatura indebolisce i legami idrogeno intercatena, rilasciando più gruppi adesivi e migliorando l'adesione. L'analisi reologica ha ulteriormente confermato le variazioni dipendenti dalla temperatura nelle interazioni molecolari, causando la trasformazione dell'idrogel da rigido a flessibile.

Figura 2. Studio del meccanismo di adesione sensibile alla temperatura.

Adesione su richiesta e prestazioni di forte adesione a umido

L'idrogel PANC/T-Fe mostra un'adesione on-demand senza apporto di energia esterna, ottenibile con la semplice applicazione di ghiaccio. A temperatura ambiente (25 °C), l'idrogel è morbido e altamente adesivo, rendendo difficile il distacco dal vetro senza lasciare residui. Il trattamento con ghiaccio migliora la coesione interna e l'elasticità, facilitando il distacco benigno e riducendo la forza di adesione. L'adesione è rimasta stabile per più cicli tra 5 °C e 25 °C, dimostrando una buona reversibilità. L'adesione controllabile dell'idrogel in vari ambienti offre un potenziale significativo per la guarigione dei tessuti, la riparazione dei materiali e gli attuatori in ambienti umidi.

Figura 3. Test delle prestazioni dell'adesione reversibile.

Prestazioni di adesione a umido in vari ambienti liquidi

L'idrogel offre ottime prestazioni anche in ambienti liquidi. Le catene copolimeriche contengono unità sia idrofile che idrofobiche; dopo il trattamento con Fe³⁺, questi segmenti migrano e si riorganizzano sulla superficie, consentendo una forte adesione sia in acqua che in olio. CIQTEK SEM3100 Il team ha osservato cambiamenti strutturali prima e dopo l'immersione in Fe³⁺, confermando la riorganizzazione della rete polimerica. Studi sull'influenza di NIPAM e PTA hanno dimostrato che il loro effetto combinato ha prodotto un'adesione eccezionale in ambienti asciutti, acquosi e oleosi, con valori di adesione pari rispettivamente a 121 kPa, 227 kPa e 213 kPa. L'idrogel aderisce saldamente a vari substrati, tra cui vetro, metallo e legno, e mantiene una buona adesione in molteplici solventi organici e soluzioni acquose.

Figura 4. Prestazioni di adesione a umido in vari ambienti liquidi.

Figura S10. Immagini SEM della sezione trasversale dell'idrogel prima e dopo il trattamento con Fe³⁺ che mostrano l'allentamento della rete.

Prestazioni di riparazione su materiali danneggiati

L'idrogel PANC/T-Fe offre ampie prospettive applicative per la riparazione temporanea di materiali danneggiati. Ad esempio, nei test di riparazione delle perdite su modelli di imbarcazioni, l'idrogel blocca rapidamente le perdite di liquido; le imbarcazioni riparate resistono a determinati pesi senza perdite. Nella riparazione di substrati danneggiati in acqua e olio, l'idrogel resiste a pressioni di scoppio massime rispettivamente di 57 kPa e 49 kPa. L'applicazione su ghiaccio consente una facile rimozione senza residui, una caratteristica preziosa per applicazioni biomediche e di materiali intelligenti, dimostrando un grande potenziale pratico.

Figura 5. Prestazioni di riparazione temporanea dell'idrogel PANC/T-Fe.

Questo studio ha sintetizzato con successo un idrogel PANC/T-Fe caratterizzato da un'elevata adesione in diversi ambienti e da un'adesione reversibile su richiesta. Ha chiarito come le interazioni dinamiche intercatena influenzino le prestazioni di adesione, fornendo una guida teorica per nuovi materiali adesivi intelligenti. L'adesione su richiesta non richiede energia esterna, ed è ottenibile mediante l'applicazione di ghiaccio, offrendo un nuovo approccio per adesivi intelligenti in ambienti liquidi. Si prevede che questo innovativo controllo delle prestazioni di adesione consentirà ampie applicazioni e farà progredire le tecnologie adesive intelligenti, offrendo nuove soluzioni alle sfide legate all'adesione.