CIQTEK SEM apoia publicação em Materiais Funcionais Avançados sobre hidrogéis adesivos com temperatura controlada

A equipe do Professor Lai Yuekun, da Universidade de Fuzhou, conduziu pesquisas inovadoras para atender à demanda urgente por hidrogéis adesivos fortes em áreas como sensores vestíveis, robótica flexível, engenharia de tecidos e curativos. Atualmente, os materiais adesivos de interface enfrentam dois grandes desafios técnicos: primeiro, a dificuldade em obter uma comutação rápida e reversível entre os estados adesivo e não adesivo; segundo, o baixo desempenho de adesão em ambientes multilíquidos. Recentemente, a equipe conduziu estudos aprofundados usando o Microscópio eletrônico de varredura CIQTEK .

O hidrogel PANC/T foi sintetizado a partir de acrilamida (AAm), N-isopropilacrilamida (NIPAM), uma solução micelar composta de dodecil sulfato de sódio/metacrilato de octadecil metila/cloreto de sódio (SDS/OMA/NaCl) e ácido fosfotúngstico (PTA). Interações dinâmicas entre as cadeias de PNIPAM e o SDS permitiram adesão e separação sob demanda. A imersão adicional em solução de Fe³⁺ produziu o hidrogel PANC/T-Fe, que alcança forte adesão em diversos ambientes úmidos. Isso resultou no desenvolvimento de um hidrogel adesivo de interface inteligente com rápida responsividade, capaz de adesão e separação controladas sob diferentes condições de umidade.

A pesquisa foi publicada em Materiais Funcionais Avançados sob o título "Hidrogéis adesivos controláveis mediados por temperatura com propriedades notáveis de adesão úmida baseadas em interações dinâmicas entre cadeias".

Síntese e Características Estruturais de Hidrogel Adesivo Controlável

O hidrogel PANC/T-Fe é sintetizado pela copolimerização de AAm hidrofílico, NIPAM anfifílico e OMA hidrofóbico. O PTA atua como um reticulador, formando ligações de hidrogênio com grupos amino em cadeias poliméricas para estabelecer uma rede estável. A equipe descobriu que as interações entre NIPAM e SDS são cruciais para a adesão do hidrogel à temperatura. Em temperaturas mais baixas, o SDS cristaliza e adere às cadeias PNIPAM, impedindo que os grupos funcionais adesivos interajam com os substratos e reduzindo a adesão. À medida que a temperatura aumenta, os cristais de SDS derretem, melhorando o contato entre os grupos adesivos e os substratos e aumentando significativamente a adesão. O PTA aumenta a adesão em temperaturas mais altas ao interagir fisicamente com os grupos amino do polímero; essa interação enfraquece com o aquecimento, amolecendo o hidrogel e gerando mais sítios adesivos. A regulação dinâmica entre as cadeias poliméricas permite adesão reversível sob demanda.

Figura 1. Síntese de hidrogel e mecanismo de adesão úmida reversível.

Mecanismo de regulação de temperatura do desempenho de adesão

Por meio de experimentos comparativos, a equipe confirmou que o efeito sinérgico do NIPAM e da solução micelar é fundamental para a adesão do hidrogel sensível à temperatura. Os resultados da Calorimetria Varredura Diferencial (DSC) indicam que a resposta à temperatura não está relacionada à Temperatura Crítica Inferior da Solução (LCST) do NIPAM, mas sim influenciada pelas interações NIPAM-SDS, que alteram a temperatura de cristalização do SDS. Testes de FT-IR in situ revelaram que o aumento da temperatura enfraquece as ligações de hidrogênio entre cadeias, liberando mais grupos adesivos e melhorando a adesão. A análise reológica confirmou ainda mudanças dependentes da temperatura nas interações moleculares, fazendo com que o hidrogel passe de rígido para flexível.

Figura 2. Estudo do mecanismo de adesão sensível à temperatura.

Desempenho de adesão sob demanda e forte adesão úmida

O hidrogel PANC/T-Fe apresenta adesão sob demanda, sem aporte de energia externa, o que pode ser alcançado com a simples aplicação de gelo. À temperatura ambiente (25 °C), o hidrogel é macio e altamente adesivo, dificultando sua remoção do vidro sem deixar resíduos. O tratamento com gelo melhora a coesão interna e a elasticidade, facilitando o descolamento benigno e reduzindo a força de adesão. A adesão permaneceu estável em múltiplos ciclos entre 5 °C e 25 °C, demonstrando boa reversibilidade. A adesão controlável do hidrogel em diversos ambientes apresenta potencial significativo na cicatrização de tecidos, reparo de materiais e atuadores em ambientes úmidos.

Figura 3. Teste de desempenho de adesão reversível.

Desempenho de adesão úmida em vários ambientes líquidos

O hidrogel também apresenta excelente desempenho em ambientes líquidos. As cadeias de copolímero contêm unidades hidrofílicas e hidrofóbicas; após o tratamento com Fe³⁺, esses segmentos migram e se reorganizam na superfície, permitindo forte adesão tanto em água quanto em óleo. Utilizando CIQTEK SEM3100 A equipe observou mudanças estruturais antes e depois da imersão em Fe³⁺, confirmando o rearranjo da rede polimérica. Estudos sobre a influência de NIPAM e PTAs mostraram que seu efeito combinado resultou em excelente adesão em ambientes secos, aquosos e oleosos, com forças de adesão atingindo 121 kPa, 227 kPa e 213 kPa, respectivamente. O hidrogel adere fortemente a diversos substratos, incluindo vidro, metal e madeira, e mantém boa adesão em diversos solventes orgânicos e soluções aquosas.

Figura 4. Desempenho de adesão úmida em vários ambientes líquidos.

Figura S10. Imagens SEM da seção transversal do hidrogel antes e depois do tratamento com Fe³⁺ mostrando afrouxamento da rede.

Desempenho de reparo em materiais danificados

O hidrogel PANC/T-Fe tem amplas perspectivas de aplicação para o reparo temporário de materiais danificados. Por exemplo, em testes de reparo de vazamentos em modelos de barcos, o hidrogel interrompe rapidamente o vazamento de líquidos; os barcos reparados suportam certos pesos sem vazamentos. Ao reparar substratos danificados em água e óleo, o hidrogel suporta pressões máximas de ruptura de 57 kPa e 49 kPa, respectivamente. A aplicação no gelo permite fácil remoção sem deixar resíduos, um recurso valioso para aplicações biomédicas e de materiais inteligentes, demonstrando grande potencial prático.

Figura 5. Desempenho de reparo temporário do hidrogel PANC/T-Fe.

Este estudo sintetizou com sucesso o hidrogel PANC/T-Fe, apresentando forte adesão em diversos ambientes e adesão reversível sob demanda. Ele elucidou como as interações dinâmicas entre cadeias influenciam o desempenho da adesão, fornecendo orientação teórica para novos materiais adesivos inteligentes. A adesão sob demanda não requer energia externa, sendo possível obtê-la por meio da aplicação de gelo, oferecendo uma nova abordagem para adesivos inteligentes em ambientes líquidos. Espera-se que esse controle inovador do desempenho da adesão possibilite amplas aplicações e avance nas tecnologias de adesivos inteligentes, oferecendo novas soluções para os desafios relacionados à adesão.