Switchability induced by mechanical instability in bioinspired adhesives

Abstract

Non-covalent adhesion produced by the gecko is attributed to the structured surface of its toes. The synthetic adhesives mimicking this principle have now been around for a decade. However, the characteristic features of reversibility and self-cleaning ability of the gecko adhesive system have not yet been successfully integrated. The present work focuses on developing a switchable adhesive system responsive to an external stimulus. Elastomeric polydimethylsiloxane surfaces are structured with fibrillar arrays. Mechanical instability of the fibrils is recognized and utilized to produce a reversible switch between adhesion and non-adhesion. Normal compression caused the fibrils to buckle inducing a contact transition from their tips to the sides. When the contact transition occurred under moderate compressive loads, tip contact re-formed upon reversal of buckling and adhesion was reversible. However, when reversible buckling occurred under large compressive loads or when fibril side peeled without unbuckling, contact re-formation was impaired. Drastic change incontact area in the re-formed state resulted in a low adhesion state. The role of fibril contact shape, radius, aspect ratio, orientation and the applied compressive load in the adhesion switchability was examined. In situ visualization was employed to study the contact mechanisms. Contact shape, fibril orientation and preload were identified as the key parameters for controlling switchable adhesion.

Die nicht-kovalente Adhäsion von Geckos beruht auf der Oberflächenstruktur ihrer Zehen. Während der letzten zehn Jahre wurden künstliche Haftsysteme hergestellt, die auf diesem Prinzip beruhen. Die charakteristischen Eigenschaften des Gecko-Haftsystems, Reversibilität und Selbstreinigung, konnten jedoch bisher nicht integriert werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung eines reversiblen Haftsystems, das durch einen externen Stimulus geschaltet werden kann. Dazu wurden fibilläre Oberflächen aus Polydimethylsiloxan hergestellt. Die mechanische Instabilität der Fibrillen wurde zur reversiblen Schaltung zwischen haftendem und nicht-haftendem Zustand verwendet. Senkrechter Druck auf die Fibrillen führte zu Knickung, wobei ein Übergang von Spitzen- zu Seiten-Kontakt der Strukturen beobachtet wurde. Bei moderatem Druck konnte sich nach Entlasten und dem Wiederaufrichten der Fibrillen der Spitzen-Kontakt wiederherstellen, was zu hoher Adhäsion führte. Bei starkem Druck wurde der Spitzenkontakt nach der Knickung nicht wieder hergestellt. Die starke Änderung der Kontaktfläche führte dann zu einer niedrigen Adhäsion. Der Einfluss von Druck, Kontaktform, Radius und Aspektverhältnis sowie Ausrichtung der Fibrillen auf die Schaltbarkeit der Adhäsion wurde untersucht. Die Kontaktbildungsmechanismen wurden mittels in situ Visualisierung beobachtet. Kontaktform, Fibrillenausrichtung und Druck wurden als Schlüsselparameter zur Kontrolle der schaltbaren Adhäsion identifiziert.