Selon une nouvelle étude, l’application d’électricité pendant quelques secondes sur un matériau mou, comme une tranche de tomate crue ou de poulet, peut le lier fortement à un objet dur, comme une plaque de graphite, sans aucun ruban adhésif ni colle. Cet effet inattendu est également réversible : changer la direction du courant électrique sépare souvent facilement les matériaux, affirment des scientifiques de l’Université du Maryland. Les applications potentielles d’une telle « électrohésion », qui peut même fonctionner sous l’eau, pourraient inclure une amélioration biomédical implants et robots biologiquement inspirés.
“Il est surprenant que cet effet n’ait pas été découvert plus tôt”, déclare Srinivasa Raghavan, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’Université du Maryland. “C’est une découverte qui aurait pu être faite depuis que nous avons des batteries.”
Dans la nature, les matériaux mous tels que les tissus vivants sont souvent liés à des objets durs tels que les os. Des recherches antérieures ont exploré des moyens chimiques pour accomplir cet exploit, par exemple avec des colles qui imitent la façon dont les moules collent aux rochers et aux bateaux. Cependant, ces liens sont généralement irréversibles.
Ils ont essayé différentes matières tendres, comme la tomate, la pomme, le bœuf, le poulet, le porc et la gélatine…
Auparavant, Raghavan et ses collègues avaient découvert que l’électricité pourrait faire adhérer les gels aux tissus biologiques, une découverte qui pourrait un jour conduire à des patchs de gel pouvant aider à réparer les plaies. Dans la nouvelle étude, au lieu de lier deux matériaux mous ensemble, ils ont cherché à savoir si l’électricité pouvait faire adhérer un matériau mou à un objet dur.
Les scientifiques ont commencé avec deux graphite électrodes (constituées d’une anode et d’une cathode) et d’un acrylamide gel. Ils ont appliqué cinq volts sur le gel pendant trois minutes. Étonnamment, ils ont découvert que le gel était fortement lié à l’anode en graphite. Les tentatives visant à séparer le gel et l’électrode briseraient généralement le gel, laissant des morceaux sur l’électrode. La liaison pourrait apparemment durer indéfiniment après la suppression de la tension, les chercheurs conservant des échantillons de gel et d’électrode collés ensemble pendant des mois.
Cependant, lorsque les chercheurs ont inversé la polarité du courant, le gel d’acrylamide s’est détaché de l’anode. Au lieu de cela, il adhère à l’autre électrode.
Raghavan et ses collègues ont expérimenté ce nouvel effet d’électroadhésion de différentes manières. Ils ont essayé un certain nombre de matériaux mous différents, tels que la tomate, la pomme, le bœuf, le poulet, le porc et la gélatine, ainsi que différentes électrodes, telles que le cuivre, le plomb, l’étain, le nickel, le fer, le zinc et le titane. Ils ont également fait varier l’intensité de la tension et la durée pendant laquelle elle était appliquée.
Les chercheurs ont découvert que la quantité de sel présente dans le matériau mou jouait un rôle important dans l’effet d’électroadhésion. Le sel rend le matériau souple conducteur, et des concentrations élevées de sel pourraient faire adhérer les gels aux électrodes en quelques secondes.
« Il est surprenant de voir à quel point cet effet est simple et à quel point il peut être répandu. »
Les scientifiques ont également découvert que les métaux qui cèdent mieux leurs électrons, comme le cuivre, le plomb et l’étain, sont meilleurs en électroadhésion. À l’inverse, les métaux qui retiennent fortement leurs électrons, comme le nickel, le fer, le zinc et le titane, s’en sortent mal.
Ces résultats suggèrent que l’électroadhésion résulte de liaisons chimiques entre l’électrode et le matériau mou après l’échange d’électrons. Selon la nature des matériaux durs et mous, l’adhésion s’est produite à l’anode, à la cathode, aux deux électrodes, ou ni l’une ni l’autre. L’augmentation de la force de la tension et de la durée pendant laquelle elle a été appliquée a généralement augmenté la force d’adhésion.
« Il est surprenant de voir à quel point cet effet est simple et à quel point il pourrait être répandu », déclare Raghavan.
Les applications potentielles de l’électroadhésion pourraient inclure l’amélioration des implants biomédicaux : la capacité de lier les tissus à l’acier ou au titane pourrait aider à renforcer les implants, selon les chercheurs. L’électroadhésion peut également aider à créer des robots d’inspiration biologique dotés de squelettes rigides ressemblant à des os et d’éléments mous ressemblant à des muscles, ajoutent-ils. Ils suggèrent également que l’électroadhésion pourrait conduire à de nouveaux types de batteries dans lesquelles des électrolytes mous sont liés à des électrodes dures, bien qu’il ne soit pas clair si une telle adhésion ferait une grande différence dans les performances d’une batterie, explique Raghavan.
Les chercheurs ont également découvert que l’électroadhésion pouvait se produire sous l’eau, ce qui, selon eux, pourrait ouvrir une gamme encore plus large d’applications possibles pour cet effet. Les adhésifs typiques ne fonctionnent pas sous l’eau, car beaucoup ne peuvent pas se propager sur des surfaces solides immergées dans des liquides, et même sur ceux qui ne peuvent généralement former que de faibles liaisons adhésives en raison de l’interférence du liquide.
« Il m’est difficile d’identifier une application réelle de cette découverte », déclare Raghavan. “Cela me rappelle les chercheurs qui ont fait les découvertes derrière les notes Velcro ou Post-it : les applications n’étaient pas évidentes pour eux au moment où les découvertes ont été faites, mais les applications sont apparues au fil du temps.”
Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en ligne le 13 mars dans la revue ACS Central Science.
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