Forscher in Deutschland und den USA haben eine neue Erklärung dafür gefunden, warum weiche Feststoffe leicht an Oberflächen haften, sich aber nur schwer entfernen lassen. Obwohl Experten schon lange vermutet haben, dass verschiedene chemische Prozesse und materialspezifische Eigenschaften bei dieser sogenannten Adhäsionshysterese eine Rolle spielen könnten, hat ein Team der Universitäten Freiburg, Pittsburgh und Akron nun gezeigt, dass die Oberflächenrauheit allein ausreicht, um sie zu erklären . Nach Ansicht des Teams könnte dieser Befund die Art und Weise, wie wir über die Klebrigkeit weicher Materialien denken, grundlegend verändern.
Wenn Sie jemals festgestellt haben, dass es einfach ist, einen Gegenstand an etwas zu kleben, es aber fast unmöglich ist, ihn wieder davon zu lösen, wenn er einmal festgeklebt ist, dann haben Sie die Adhäsionshysterese in Aktion beobachtet. „Jedes weiche Material zeigt diese Hysterese, wenn es in Kontakt kommt“, erklärt der Co-Leiter des Teams Lars Pastewka, ein Physiker in der Institut für Mikrosystemtechnik in Freiburg. „Klebeband und Haftnotizen lassen sich leicht anbringen, sind aber schwer zu lösen.“
Im Jahr 1966 entwickelten Wissenschaftler, die dieses Verhalten erklären wollten, eine Faustregel namens Dahlquist-Kriterium. Dieses Kriterium besagt, dass ein Material, das sehr weich ist – was laut Pastewka manchmal so übersetzt wird, dass es einen Elastizitätsmodul von weniger als 0.1 MPa erfordert – sich „verbindet“, wenn es in Kontakt gedrückt wird, und diese „Verklebung“ beibehält, wenn es losgelassen wird.
In der neuen Studie sagt Pastewka: „Wir zeigen, dass es keine wirkliche ‚Bindung‘ gibt, sondern dass Rauheit die Kontaktlinie fixiert, was eine physikalische Erklärung für das Dahlquist-Kriterium liefert.“
„Stick-Slip“-Instabilitäten verbrauchen Energie
Um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, haben Pastewka und Kollegen in Freiburg und der livExzellenzcluster MatS entwickelte Modelle, die verschiedene Bereiche der Technik und Physik miteinander verknüpfen. Diese Bereiche umfassen Standardkontakt- und Bruchmechanik sowie abstraktere Forschung zu elastischen Linien in zufälligen Medien (ein Thema, das in den Zweig der Physik fällt, der sich mit komplexen Systemen befasst). Die Ergebnisse dieser Modelle zeigten diskrete „Sprünge“, sogenannte Stick-Slip-Instabilitäten, die auftreten, wenn die Umfänge elastischer Körper einander berühren.
Diese Stick-Slip-Instabilitäten verbrauchen Energie und führen zu Hysterese, und Pastewka sagt, seine Theorie- und Modellierungsgruppe in Freiburg habe die Hypothese aufgestellt, dass sie auch bei der Adhäsion eine Rolle spielen könnten. „Um dies zu bestätigen, haben wir unsere experimentellen Kollegen in Akron gebeten, ihre Messungen zu überprüfen“, sagt er. „Sie haben diese Sprünge auch gesehen.“
Vergangene Hypothesen
Wissenschaftler hatten zuvor vermutet, dass die Adhäsionshysterese in weichen Festkörpern durch die Dissipation viskoelastischer Energie verursacht werden könnte – also Energie, die durch Wärme verloren geht, wenn sich ein Material während des Kontakts verformt. Wenn sich ein Material beim Kontakt komprimiert und beim Lösen ausdehnt, würden diese Energieverluste der Bewegung der Kontaktfläche entgegenwirken und die Haftkraft beim Trennen erhöhen.
Eine andere Erklärung konzentrierte sich auf einen Prozess namens Kontaktalterung, bei dem es zur Bildung chemischer Bindungen auf der Kontaktoberfläche kommt. Nach dieser Hypothese ist die Adhäsion umso größer, je länger der Kontakt besteht.
Obwohl beide Erklärungen physikalisch plausibel klingen, „zeigen unsere Simulationen, dass die beobachtete Hysterese ohne diese spezifischen Energiedissipationsmechanismen erklärt werden kann“, sagt er Antoine Sanner, ein Postdoktorand in Freiburg, der den Großteil der theoretischen Arbeit der Studie geleistet hat. „Die einzige Quelle der Energiedissipation in unserem numerischen Modell ist die plötzliche Sprungbewegung der Kontaktkante, die durch die Rauheit der Oberfläche hervorgerufen wird.“
Vereinfachung des Designs von Klebstoffen
Da auf Klebrigkeit ausgelegte Materialsysteme oft auch auf Viskoelastizität ausgelegt sind, könnte die neue Arbeit laut Pastewka das Design von (reversiblen) Klebstoffen vereinfachen. Solche Klebstoffe könnten bei der Fortbewegung von Soft-Robotern eingesetzt werden, wenn es darum geht, die Tragfähigkeit der Kontaktglieder der Roboter zu kontrollieren. Eine weitere Anwendung könnten Pick-and-Place-Systeme für Fertigungsanlagen sein, die zunehmend auf Soft-Robotik setzen.
Blasen machen Bandagen klebriger
Die in dieser Studie beschriebenen Prozesse werden auch durch Grenzflächenwasserbrücken beeinflusst, und die Forscher untersuchen nun nach eigenen Angaben den Einfluss von Wasser auf die Adhäsion – insbesondere in Form von Kapillarverklebungen. „Da Wasser allgegenwärtig ist, gehe ich davon aus, dass die meisten Klebeverbindungen zumindest zu einem gewissen Grad durch Wasser vermittelt werden“, sagt Pastewka. „Möglicherweise können wir daher ähnliche (und sogar einfachere) Modelle für Kapillaren an Grenzflächen konstruieren.“
All dies ist ein etwas überraschendes Ergebnis für ein Forschungsprojekt, das sich laut Pastewka ursprünglich auf Triboelektrizität konzentrierte – das Phänomen, bei dem Oberflächen, die miteinander in Kontakt stehen, aufgeladen werden. Dieser Effekt lässt sich für die Energiegewinnung nutzen und hängt auch mit den Prozessen zusammen, die bei Gewittern Wolken aufladen und Blitze erzeugen. „Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass Ladung in bestimmten Mustern an Grenzflächen auftritt, und wir dachten, dass dies möglicherweise damit zusammenhängt, wie sich Grenzflächen lösen“, erzählt Pastewka Physik-Welt. „Deshalb haben wir uns entschlossen, die Ablösungsvorgänge im Detail zu untersuchen und die Stick-Slip-Instabilitäten zu finden.“
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
