CIQTEK SEM apoya la publicación de materiales funcionales avanzados sobre hidrogeles adhesivos con control de temperatura

El equipo del profesor Lai Yuekun, de la Universidad de Fuzhou, ha llevado a cabo una investigación innovadora para abordar la urgente demanda de hidrogeles adhesivos de alta resistencia en campos como sensores portátiles, robótica blanda, ingeniería de tejidos y apósitos para heridas. Actualmente, los materiales adhesivos de interfaz se enfrentan a dos importantes desafíos técnicos: en primer lugar, la dificultad para lograr una transición rápida y reversible entre estados adhesivos y no adhesivos; en segundo lugar, su baja adhesión en entornos con múltiples líquidos. Recientemente, el equipo realizó estudios en profundidad utilizando el Microscopio electrónico de barrido CIQTEK .

El hidrogel PANC/T se sintetizó a partir de acrilamida (AAm), N-isopropilacrilamida (NIPAM), una solución micelar compuesta de dodecilsulfato de sodio/metacrilato de metil octadecilo/cloruro de sodio (SDS/OMA/NaCl) y ácido fosfotúngstico (PTA). Las interacciones dinámicas entre las cadenas de PNIPAM y el SDS permitieron la adhesión y separación a demanda. Una inmersión posterior en solución de Fe³⁺ produjo el hidrogel PANC/T-Fe, que logra una fuerte adhesión en diversos ambientes húmedos. Esto resultó en el desarrollo de un hidrogel adhesivo de interfaz inteligente con rápida respuesta, capaz de lograr una adhesión y separación controladas en diferentes condiciones de humedad.

La investigación fue publicada en Materiales funcionales avanzados bajo el título "Hidrogeles adhesivos controlables por temperatura con notables propiedades de adhesión húmeda basadas en interacciones dinámicas entre cadenas".

Síntesis y características estructurales del hidrogel adhesivo controlable

El hidrogel PANC/T-Fe se sintetiza mediante la copolimerización de AAm hidrófilo, NIPAM anfifílico y OMA hidrófobo. El PTA actúa como reticulante, formando enlaces de hidrógeno con los grupos amino de las cadenas poliméricas para establecer una red estable. El equipo descubrió que las interacciones entre NIPAM y SDS son cruciales para la adhesión termosensible del hidrogel. A temperaturas más bajas, el SDS cristaliza y se adhiere a las cadenas de PNIPAM, lo que impide que los grupos funcionales adhesivos interactúen con los sustratos y reduce la adhesión. A medida que aumenta la temperatura, los cristales de SDS se funden, mejorando el contacto entre los grupos adhesivos y los sustratos, aumentando significativamente la adhesión. El PTA mejora la adhesión a temperaturas más altas al interactuar físicamente con los grupos amino del polímero; esta interacción se debilita con el calentamiento, ablandando el hidrogel y generando más sitios de adhesión. La regulación dinámica entre las cadenas poliméricas permite una adhesión reversible y a demanda.

Figura 1. Síntesis de hidrogel y mecanismo de adhesión húmeda reversible.

Mecanismo de regulación de la temperatura del rendimiento de la adhesión

Mediante experimentos comparativos, el equipo confirmó que el efecto sinérgico del NIPAM y la solución micelar es clave para la adhesión termosensible del hidrogel. Los resultados de la calorimetría diferencial de barrido (DSC) indican que la respuesta térmica no está relacionada con la temperatura crítica inferior de la solución (LCST) del NIPAM, sino que está influenciada por las interacciones NIPAM-SDS, que alteran la temperatura de cristalización del SDS. Las pruebas de FT-IR in situ revelaron que el aumento de la temperatura debilita los enlaces de hidrógeno intercatenarios, liberando más grupos adhesivos y mejorando la adhesión. El análisis reológico verificó además los cambios dependientes de la temperatura en las interacciones moleculares, lo que provoca que el hidrogel pase de rígido a flexible.

Figura 2. Estudio del mecanismo de adhesión sensible a la temperatura.

Adhesión bajo demanda y fuerte rendimiento de adhesión en húmedo

El hidrogel PANC/T-Fe exhibe adhesión a demanda sin aporte de energía externa, lo cual se logra con la simple aplicación de hielo. A temperatura ambiente (25 °C), el hidrogel es blando y altamente adhesivo, lo que dificulta su desprendimiento del vidrio sin dejar residuos. El tratamiento con hielo mejora la cohesión y elasticidad internas, facilitando un desprendimiento benigno y reduciendo la fuerza de adhesión. La adhesión se mantuvo estable durante múltiples ciclos entre 5 °C y 25 °C, demostrando una buena reversibilidad. La adhesión controlable del hidrogel en diversos entornos tiene un gran potencial en la cicatrización de tejidos, la reparación de materiales y los actuadores en entornos húmedos.

Figura 3. Prueba de rendimiento de adhesión reversible.

Rendimiento de adhesión húmeda en diversos entornos líquidos

El hidrogel también presenta un excelente rendimiento en entornos líquidos. Las cadenas de copolímero contienen unidades hidrofílicas e hidrofóbicas; tras el tratamiento con Fe³⁺, estos segmentos migran y se reorganizan en la superficie, lo que permite una fuerte adhesión tanto en agua como en aceite. CIQTEK SEM3100 El equipo observó cambios estructurales antes y después de la impregnación con Fe³⁺, lo que confirmó la reorganización de la red polimérica. Estudios sobre la influencia de NIPAM y PTA mostraron que su efecto combinado produjo una adhesión excepcional en entornos secos, acuosos y aceitosos, con resistencias de adhesión que alcanzaron los 121 kPa, 227 kPa y 213 kPa, respectivamente. El hidrogel se adhiere firmemente a diversos sustratos, como vidrio, metal y madera, y mantiene una buena adhesión en múltiples disolventes orgánicos y soluciones acuosas.

Figura 4. Rendimiento de adhesión húmeda en diversos entornos líquidos.

Figura S10. Imágenes SEM de la sección transversal del hidrogel antes y después del tratamiento con Fe³⁺ que muestra el aflojamiento de la red.

Rendimiento de reparación de materiales dañados

El hidrogel PANC/T-Fe tiene amplias posibilidades de aplicación para la reparación temporal de materiales dañados. Por ejemplo, en pruebas de reparación de fugas en modelos de embarcaciones, el hidrogel detiene rápidamente las fugas de líquido; las embarcaciones reparadas soportan ciertos pesos sin fugas. Al reparar sustratos dañados en agua y aceite, el hidrogel soporta presiones máximas de ruptura de 57 kPa y 49 kPa, respectivamente. La aplicación de hielo permite una fácil eliminación sin dejar residuos, una característica valiosa para aplicaciones biomédicas y de materiales inteligentes, con un gran potencial práctico.

Figura 5. Rendimiento de reparación temporal del hidrogel PANC/T-Fe.

Este estudio sintetizó con éxito un hidrogel PANC/T-Fe que presenta una fuerte adhesión en diversos entornos y una adhesión reversible a demanda. Demostró cómo las interacciones dinámicas entre cadenas influyen en el rendimiento de la adhesión, proporcionando una guía teórica para nuevos materiales adhesivos inteligentes. La adhesión a demanda no requiere energía externa, lo que se logra mediante la aplicación de hielo, lo que ofrece un nuevo enfoque para adhesivos inteligentes en entornos líquidos. Se espera que este innovador control del rendimiento de la adhesión permita amplias aplicaciones y avance en las tecnologías de adhesivos inteligentes, ofreciendo nuevas soluciones a los desafíos relacionados con la adhesión.