Si alguna vez ha quitado un gancho adhesivo de la pared prque lo ha colocado en el lugar equivocado habrá experimentado la decepción en su adherencia: puede ser fuerte, pero generalmente es irreversible.

Si bien puede desprenderlo, no tendrá la misma adherencia cuando lo vuelva a colocar. Deberá colocar uno nuevo o tolerar su error. Más allá de su relevancia para la decoración de interiores, la adherencia reversible y duradera podría permitir envolturas reutilizables, botas que desafían la gravedad y más aplicaciones industriales de servicio pesado como el ensamblaje de automóviles.

El epipragma de un caracol, una capa viscosa y húmeda que puede endurecerse para protegerle su cuerpo de la sequedad, permite que el caracol quede cementado en su lugar por largos períodos de tiempo, lo que lo convierte en el modelo definitivo de adhesión que se puede activar y desactivar según sea necesario.

Un nuevo estudio de la escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pennsylvania ha conseguido un adhesivo fuerte y reversible que utiliza los mismos mecanismos que los caracoles.

Shu Yang, profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, dirigió el estudio junto con Hyesung Cho, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Yang que ahora se encuentra en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea, y los graduados de ingeniería Gaoxiang Wu y Jason Christopher Jolly. El miembro del laboratorio Yuchong Gao también participó en la investigación. El equipo también incluyó colaboradores de la Universidad de Lehigh: el profesor de ingeniería Anand Jagota, el investigador postdoctoral Zhenping He y la estudiante graduada Nicole Fortoul.

El estudio fue publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Yang y los miembros de su laboratorio tienen un rico historial en biomimética. Yang ha dirigido estudios sobre estructuras a nanoescala inspiradas en almejas gigantes, mariposas y polen, y es el director de AESOP, el Centro para el Análisis de Estructuras Evolucionadas a Productos Optimizados, cuyo objetivo es aplicar propiedades bioinspiradas al diseño y la arquitectura.

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Según Yang, ella y su laboratorio han estado interesados ​​en los adhesivos desde hace bastante tiempo, pero el modelo predominante para los adhesivos reversibles en el mundo natural, los geckos, son muy difícil de conseguir:

«Los geckos pueden poner una mano hacia abajo y luego soltarla, por lo que la adhesión del gecko es reversible, pero es una adhesión muy baja», dice Yang. «Un gecko pesa 50 gramos, y un humano al menos 50 kilogramos. Si quiere sostener a un humano en una pared, no es posible usar el mismo adhesivo. Podría usarse el vacío, pero se necesita de una una bomba de vacío que es muy incómoda de llevar.

«Hemos estado trabajando en esto durante mucho tiempo, al igual que muchas otras personas. Y nadie ha podido conseguir una mejor solución para lograr una adherencia similar a los adhesivos conocidos que también sea reversible».

El gran avance se produjo cuando Gaoxiang Wu estaba trabajando en otro proyecto que involucraba un hidrogel hecho de un polímero llamado polihidroxietilmetacrilato (PHEMA) y notó sus propiedades adhesivas inusuales. El PHEMA es gomoso cuando está mojado, pero rígido cuando está seco, una calidad que lo hace útil para lentes de contacto, pero también, como descubrió el equipo de Yang, para los adhesivos.

Cuando el PHEMA está mojado, se ajusta a todas las pequeñas estrías en una superficie, desde las distintas crestas de un tronco de árbol hasta la microporosidad invisible de una pared aparentemente lisa. Este contacto uniforme es lo que le permite que se adhiera a una superficie.

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«Es como esos juguetes de la infancia que tiras en la pared y se pegan. Eso es porque son muy suaves. Imagina una lámina de plástico en la pared; se desprende fácilmente. Pero las cosas blandas se adaptarán a las cavidades», dice Yang.

Solo, esta capacidad de adaptarse a las cavidades no es suficiente para hacer un buen adhesivo. Lo que realmente importa es lo que sucede cuando el material comienza a secarse. A medida que se seca PHEMA, se vuelve tan rígido como una tapa de botella de plástico, pero, de manera única, no se encoge. En cambio, el material se endurece en las cavidades y se sujeta firmemente a la superficie.

«Cuando los materiales se secan, generalmente se encogen. Si se encoge de la superficie, ya no quiere ajustarse a las microcavidades y saldrá», dice Yang. «Nuestro adhesivo PHEMA no se desprende. Se mantiene conforme. Recuerda la forma incluso cuando está seco y rígido».

Estas propiedades que ayudaron al equipo de Yang a identificar al PHEMA como un candidato único para una adhesión fuerte y reversible son las mismas propiedades que se encuentran en el epipragma de un caracol. En un día soleado, el epipragma viscoso de un caracol, inicialmente mojado, se adapta a la superficie en la que se encuentra y se endurece, aislando al caracol del ambiente seco y sosteniéndolo firmemente en su lugar. Por la noche, cuando el ambiente se humedece, el epipragma se suaviza, lo que permite que el caracol se mueva libremente nuevamente.

La reversibilidad entre flexibilidad húmeda y adherencia seca es lo que los investigadores querían poner a prueba con PHEMA. El equipo realizó varias pruebas con su hidrogel PHEMA, evaluando su capacidad para mantener el peso y el tiempo que tarda el agua en infiltrarse en el adhesivo y revertir su agarre. Descubrieron que el PHEMA actuó de manera muy similar al epipragma del caracol. Era 89 veces más fuerte que la adhesión del gecko, pero la adhesión se desprendió fácilmente cuando se mojó.

«Cuando está seco es rígido y se adhiere como un súper pegamento. No puedes desprenderlo. Pero, mágicamente, puedes humedecerlo y despegarlo sin esfuerzo», dice Yang. «Además, el PHEMA no pierde su fuerte adhesión al aumentar la superficie. Por lo general, existe una correlación negativa entre la fuerza de adhesión y el tamaño. Dado que el PHEMA no depende de una estructura frágil, no tiene ese problema».

Para demostrar cuán duradero es el adhesivo PHEMA, uno de los miembros del laboratorio de Yang y coautor del estudio, Jason Christopher Jolly, se ofreció como voluntario para suspenderse de un arnés sostenido solo por un parche de adhesivo del tamaño de un sello postal. El material sostuvo fácilmente el peso de su cuerpo entero. Sobre la base de las pruebas de laboratorio, el equipo determinó que, si bien el PHEMA puede no ser el adhesivo más fuerte que existe, actualmente es el más fuerte disponible para la adhesión reversible.

Con este poder, el adhesivo de baba de caracol podría tener un gran impacto tanto en el campo científico como en la industria. Yang considera que los adhesivos duraderos y reversibles, como su hidrogel PHEMA, tienen un enorme potencial para productos para el hogar, sistemas robóticos y ensamblaje industrial.

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«El ensamblaje del automóvil utiliza adhesivos y si hay algún error al unir las piezas las partes se arruinan», dice Yang. «Un automóvil es bastante grande. Por lo general, no pegan cosas entre sí hasta el último paso, y usted necesita un horno del tamaño de una habitación para alojar el auto y curar los adhesivos. Un adhesivo fuerte y reversible como PHEMA podría cambiar completamente el proceso de montaje de automóviles y ahorrar dinero porque los errores no serían tan costosos».

A pesar de su promesa en aplicaciones como la fabricación pesada, PHEMA no es adecuado para la mayoría de las industrias porque su reversibilidad está controlada por agua. Si bien el agua es el mecanismo de control perfecto para un caracol, no querría que su automóvil se desarme bajo la lluvia. Entonces, aunque PHEMA es el primero de su tipo en adhesión reversible, Yang reconoce que es solo un punto de partida.

«En muchas aplicaciones no se quiere usar agua. El agua tarda en difundirse. En el futuro, queremos encontrar el material adecuado que pueda cambiar la propiedad de esa manera», dice Yang.

Los investigadores esperan encontrar o diseñar adhesivos que puedan responder a señales como el pH, productos químicos específicos, luz, calor o electricidad, ampliando las aplicaciones potenciales de la adhesión reversible.