Cinta más resistente diseñada mediante el arte del corte.

El equipo de Michael Bartlett en Virginia Tech ha adaptado el kirigami, el antiguo arte japonés de cortar papel, en un método para aumentar 60 veces la unión adhesiva de la cinta ordinaria.

22 de junio de 2023

La cinta adhesiva cumple muchos propósitos, desde fijar rápidamente electrodomésticos hasta garantizar un sellado confiable en un paquete enviado por correo. Cuando se usa cinta con una unión fuerte, es posible quitarla solo raspando y haciendo palanca en las esquinas de la cinta, esperando desesperadamente que las piezas de la superficie no se rompan con la cinta.

Pero ¿qué pasaría si se pudieran fabricar adhesivos fuertes y fácilmente removibles? Esta combinación aparentemente paradójica de propiedades podría cambiar drásticamente las aplicaciones de agarre robótico, dispositivos portátiles para el control de la salud y fabricación para ensamblaje y reciclaje.

Es posible que el desarrollo de tales adhesivos no esté tan lejos según la última investigación realizada por el equipo de Michael Bartlett, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de Virginia Tech, y publicada en Nature Materials el 22 de junio.

Las cintas adhesivas se desarrollaron por primera vez en la década de 1920 para satisfacer la necesidad de los pintores de automóviles que querían mejores opciones para pintar dos colores en carrocerías. Desde que se utilizó la primera cinta adhesiva, se han creado muchas otras variaciones. Las fábricas han desplegado cinta invisible para envolver regalos, cinta aislante para cubrir cables y cinta adhesiva para más usos de los que alguna vez se pretendió cubrir.

Normalmente, cuando se despegan las cintas, se separan en línea recta a lo largo de la tira hasta que la cinta se retira por completo. Los adhesivos fuertes se vuelven más difíciles de pelar, mientras que los adhesivos reutilizables promueven la separación que limita la fuerza.

El equipo de Bartlett teorizó que si se controlara la ruta de separación, entonces tal vez los adhesivos podrían hacerse resistentes y removibles. Aprovecharon los métodos de una forma de arte japonesa de 2.000 años de antigüedad para determinar cómo hacerlo.

La forma de arte del kirigami, mediante el plegado y el corte, puede transformar una hoja plana de papel en una forma o incluso en un objeto tridimensional. Los niños suelen utilizar una forma básica de este método al crear copos de nieve de papel.

Pero el equipo de investigación estaba produciendo más que copos de nieve. Debido a los ingeniosos orígenes del kirigami, el método proporcionó un marco para establecer rodajas o cortes a través de un adhesivo. El equipo de Bartlett utilizó estos principios para diseñar una serie de cortes en forma de U.

"Nos dimos cuenta de que al utilizar cortes podíamos controlar cómo se separa un adhesivo", dijo Bartlett. “Un corte diseñado puede forzar que la ruta de separación del adhesivo retroceda en lugares específicos, lo que llamamos propagación inversa de grietas, lo que hace que el adhesivo sea muy fuerte. Pero al pelar en la dirección opuesta, siempre avanza, lo que facilita su eliminación. Este es un comportamiento bastante inusual, pero es muy útil para fabricar adhesivos fuertes pero liberables”.

El equipo de Bartlett, que también incluía al profesor asociado Rong Long de la Universidad de Colorado Boulder y al profesor asistente Eric Markvicka de la Universidad de Nebraska Lincoln, descubrió que la aplicación de estos cortes hacía que la unión de la cinta fuera más fuerte en un factor de 60 y al mismo tiempo permitía una fácil eliminación pelando en la dirección opuesta. El equipo también descubrió que el tipo de cinta no importaba. Kirigami aumentó las uniones de cada tipo de cinta probada, desde cintas de embalaje hasta cintas médicas. En todos los casos, las uniones adhesivas fuertes se vuelven aún más fuertes y los adhesivos normalmente más débiles también aumentan su resistencia.

"Lo que realmente importa es la forma y el tamaño del corte", dijo el ex investigador graduado Dohgyu Hwang. "No tenemos que depender del material adhesivo específico, pero siempre que los cortes se realicen en un tamaño característico, que está definido por la física del adhesivo, descubrimos que esto mejora la adhesión en cada sistema que probamos".

El otro resultado interesante de este enfoque es que puede personalizarse en gran medida.

“Al colocar los cortes en ubicaciones específicas, podemos activar esta propagación inversa de grietas para ajustar la fuerza de adhesión en cualquier ubicación de la película y, además, permite programar la fuerza adhesiva en dos direcciones simultáneamente en una sola región de una película. También utilizamos un enfoque de fabricación digital rápida, por lo que podemos crear rápidamente adhesivos altamente personalizables con resistencia ajustable. Se trata de una metodología muy interesante para el desarrollo de futuros adhesivos”, afirmó Bartlett.

En una dramática prueba de aplicaciones, el equipo aplicó el mismo tipo de cinta a dos cajas de cartón, sellándolas como se haría para el envío. Una de las cintas tenía la aplicación de cortes de kirigami y la otra no. Luego, los investigadores dejaron caer un ladrillo sobre la tapa de cada caja. En el caso de la cinta inalterada, la unión se rompió después de dos gotas, colapsando la tapa de la caja y permitiendo que entrara el ladrillo. Sin embargo, la cinta alterada resistió las caídas, y al tercer intento, el ladrillo incluso rebotó en la tapa.

"Este fue un resultado muy emocionante", dijo el investigador graduado Chanhong Lee. “Podemos usar cintas de embalaje normales y hacerlas más resistentes cuando sea necesario, pero aun así permitir que se liberen. Esto también es muy útil para envases que son reutilizables y que potencialmente desempeñan un papel en la sostenibilidad”.

En otra prueba, el equipo aumentó la fuerza adhesiva de objetos distintos de las cintas. Después de aplicar cortes de kirigami a un guante utilizado por los jugadores de fútbol para atrapar la pelota, Lee colocó su mano enguantada sobre una lámina de plástico. Tanto el guante modificado como el inalterado eran lo suficientemente abrasivos como para que el investigador pudiera sostener el plástico en un ángulo de 90 grados, pero el guante inalterado perdió su adherencia después de unos segundos. El guante modificado continuó sujetando el plástico con firmeza, hasta que el investigador finalmente lo dejó.

"Es común hacer que las uniones adhesivas sean más fuertes pero más difíciles de quitar", dijo Bartlett. “También es común hacer que esos vínculos sean menos fuertes pero fáciles de eliminar. El desafío es hacerlo más fuerte y al mismo tiempo fácil de eliminar, y eso es lo que hemos logrado”.

Susana Miller

540-267-4375