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電気付着は新しいインプラントとロボット技術の到来を告げる

生のトマトや鶏肉のスライスなどの柔らかい素材に数秒間電気を流すと、テープや接着剤を使わずにグラファイトの板などの硬い物体に強力に接着できることが新しい研究で判明した。 メリーランド大学の科学者らによると、この予期せぬ効果は可逆的でもあり、電流の方向を切り替えると材料が簡単に分離することがよくあるという。 水中でも機能するこのような「電気付着」の潜在的な用途には、改良された生物医学的インプラントや生物学的にインスピレーションを受けたロボットが含まれる可能性があります。「この効果がもっと早く発見されなかったのは驚くべきことです」とメリーランド大学の化学・生体分子工学教授スリニバサ・ラガバンは言う。 「これは電池が登場してからほぼ可能だった発見です。」自然界では、生体組織などの柔らかい材料が骨などの硬い物体に結合していることがよくあります。 これまでの研究では、ムール貝が岩やボートにくっつく様子を模倣した接着剤など、この偉業を達成するための化学的な方法が検討されていた。 ただし、これらの結合は通常、元に戻すことはできません。トマト、リンゴ、牛肉、鶏肉、豚肉、ゼラチンなど、さまざまな柔らかい素材を試してみました。以前、ラガバンと彼の同僚は、電気によってゲルが生体組織に付着する可能性があることを発見しました。この発見は、いつか傷の修復に役立つゲルパッチにつながる可能性があります。 新しい研究では、2つの柔らかい材料を接着する代わりに、電気によって柔らかい材料を硬い物体に貼り付けることができるかどうかを調査しました。科学者らは、一対のグラファイト電極 (陽極と陰極で構成される) とアクリルアミドゲルから開始しました。 彼らは、ゲル全体に 5 ボルトを 3 分間印加しました。 驚くべきことに、彼らはゲルがグラファイト陽極に強く結合していることを発見した。 ゲルと電極をねじって引き離そうとすると、通常、ゲルが壊れ、その破片が電極上に残ります。 研究者らはゲルと電極のサンプルを何か月も貼り合わせたままにしており、電圧を除去した後も結合は明らかに無期限に持続する可能性があるという。しかし、研究者が電流の極性を切り替えると、アクリルアミドゲルが陽極から剥がれました。 代わりに、もう一方の電極に付着しました。ラガヴァンと彼の同僚は、この新たに発見された静電付着効果をさまざまな方法で実験しました。 彼らは、トマト、リンゴ、牛肉、鶏肉、豚肉、ゼラチンなどのさまざまな柔らかい素材や、銅、鉛、錫、ニッケル、鉄、亜鉛、チタンなどのさまざまな電極を試しました。 また、電圧の強さと印加時間も変化させました。研究者らは、柔らかい素材に含まれる塩の量が静電付着効果に強い役割を果たしていることを発見しました。 塩は柔らかい素材に導電性を与え、高濃度の塩により数秒以内にゲルが電極に付着する可能性があります。「この効果がどれほど単純であるか、そしてそれがどれほど広範囲に及ぶかには驚くべきです。」科学者らはまた、銅、鉛、錫など、電子を放出する能力に優れた金属の方が静電付着力に優れていることも発見しました。 逆に、ニッケル、鉄、亜鉛、チタンなど、電子を強く保持する金属はうまくいきませんでした。これらの発見は、電極と軟質材料が電子を交換した後の化学結合によって静電付着が生じることを示唆しています。 硬い材料と柔らかい材料の性質に応じて、付着はアノード、カソード、両方の電極で発生するか、どちらでも発生しません。 電圧の強度と電圧の印加時間を増やすと、通常、接着強度が増加します。「この効果がどれほど単純であるか、そしてそれがどれほど広範囲に及ぶかには驚くばかりです」とラガヴァン氏は言う。電気接着の潜在的な用途には、生物医学インプラントの改善が含まれる可能性があり、組織を鋼またはチタンに接着する能力はインプラントの強化に役立つ可能性があると研究者らは述べています。 電気付着は、硬い骨のような骨格と柔らかい筋肉のような要素を備えた、生物学にヒントを得たロボットの作成にも役立つ可能性があると彼らは付け加えた。 彼らはまた、電気付着により、柔らかい電解質が硬い電極に結合する新しい種類の電池につながる可能性があることを示唆しているが、そのような付着が電池の性能に大きな違いをもたらすかどうかは明らかではない、とラガバン氏は言う。研究者らはまた、水中で静電付着が発生する可能性があることも発見し、この効果の応用範囲がさらに広がる可能性があると示唆している。 一般的な接着剤は水中では機能しません。これは、多くの接着剤は液体に浸かっている固体表面には広がりませんし、液体の干渉により通常は弱い接着結合しか形成できないためです。「私にとって、この発見の実際の用途を 1 つ特定するのは困難です」と Raghavan 氏は言います。 「ベルクロやポストイットの背後にある発見をした研究者たちのことを思い出します。発見がなされたとき、その応用は彼らにとって明らかではありませんでしたが、時間が経つにつれて応用が見えてきました。」科学者たちは詳しく説明した 彼らの発見 ジャーナル ACS Central Science に…