Ερευνητές στη Γερμανία και τις ΗΠΑ βρήκαν μια νέα εξήγηση για το γιατί τα μαλακά στερεά κολλάνε εύκολα στις επιφάνειες αλλά είναι δύσκολο να αφαιρεθούν. Αν και οι ειδικοί είχαν από καιρό υποθέσει ότι διάφορες χημικές διεργασίες και συγκεκριμένες ιδιότητες για το υλικό θα μπορούσαν να παίξουν ρόλο σε αυτή τη λεγόμενη συγκολλητική υστέρηση, μια ομάδα στα πανεπιστήμια του Φράιμπουργκ, του Πίτσμπουργκ και του Άκρον έδειξε τώρα ότι η τραχύτητα της επιφάνειας από μόνη της είναι αρκετή για να το εξηγήσει. . Σύμφωνα με την ομάδα, αυτό το εύρημα θα μπορούσε να αλλάξει θεμελιωδώς τον τρόπο που σκεφτόμαστε την κολλητικότητα των μαλακών υλικών.
Εάν σας ήταν ποτέ εύκολο να κολλήσετε ένα αντικείμενο σε κάτι, αλλά σχεδόν αδύνατο να το αφαιρέσετε από τη στιγμή που κολλήσει, έχετε παρατηρήσει υστέρηση κόλλας σε δράση. «Οποιοδήποτε μαλακό υλικό θα δείξει αυτή την υστέρηση κατά την επαφή», εξηγεί ο συν-αρχηγός της ομάδας Lars Pastewka, ένας φυσικός στο Τμήμα Μηχανικής Μικροσυστημάτων στο Φράιμπουργκ. «Η ταινία Scotch και οι αυτοκόλλητες σημειώσεις συνδέονται εύκολα, αλλά είναι δύσκολο να αποσπαστούν».
Το 1966, οι επιστήμονες που προσπαθούσαν να εξηγήσουν αυτή τη συμπεριφορά ανέπτυξαν έναν εμπειρικό κανόνα που ονομάζεται κριτήριο Dahlquist. Αυτό το κριτήριο δηλώνει ότι εάν ένα υλικό είναι πολύ μαλακό – το οποίο λέει ο Pastewka μερικές φορές μεταφράζεται ως ότι απαιτεί συντελεστή Young μικρότερο από 0.1 MPa – θα «κολλήσει» όταν ωθείται σε επαφή και θα διατηρήσει αυτόν τον «δεσμό» όταν απελευθερωθεί.
Στη νέα μελέτη, ο Pastewka λέει, «Δείχνουμε ότι δεν υπάρχει πραγματικός «δεσμός», αλλά ότι η τραχύτητα καρφώνει τη γραμμή επαφής, δίνοντας μια φυσική εξήγηση για το κριτήριο Dahlquist».
Οι αστάθειες «stick-slip» διαχέουν ενέργεια
Για να καταλήξουν σε αυτό το συμπέρασμα, ο Pastewka και οι συνεργάτες του στο Freiburg και το livMatS Cluster of Excellence ανέπτυξε μοντέλα που συνδυάζουν διαφορετικά σκέλη της μηχανικής και της φυσικής. Αυτά τα σκέλη περιλαμβάνουν τυπική μηχανική επαφής και θραύσης καθώς και πιο αφηρημένη έρευνα για ελαστικές γραμμές σε τυχαία μέσα (ένα θέμα που βρίσκεται στον κλάδο της φυσικής που ασχολείται με πολύπλοκα συστήματα). Τα αποτελέσματα αυτών των μοντέλων έδειξαν διακριτά «άλματα» γνωστά ως αστάθειες ολίσθησης ραβδώσεων που συμβαίνουν όταν οι περίμετροι των ελαστικών σωμάτων έρχονται σε επαφή μεταξύ τους.
Αυτές οι αστάθειες ολίσθησης διαχέουν ενέργεια και οδηγούν σε υστέρηση, και ο Pastewka λέει ότι η ομάδα θεωρίας και μοντελοποίησης του στο Φράιμπουργκ υπέθεσε ότι θα μπορούσαν επίσης να παίξουν ρόλο στην προσκόλληση. «Για να το επιβεβαιώσουμε αυτό, ζητήσαμε από τους πειραματικούς συναδέλφους μας στο Akron να ελέγξουν τις μετρήσεις τους», λέει. «Είδαν επίσης αυτά τα άλματα».
Προηγούμενες υποθέσεις
Οι επιστήμονες είχαν προηγουμένως προτείνει ότι η υστέρηση προσκόλλησης σε μαλακά στερεά μπορεί να προκληθεί από τη διασπορά της ιξωδοελαστικής ενέργειας - δηλαδή, η ενέργεια που χάνεται για τη θερμότητα όταν ένα υλικό παραμορφώνεται κατά την επαφή. Εάν ένα υλικό συμπιέζεται κατά τη διάρκεια της επαφής και διαστέλλεται κατά την απελευθέρωση, αυτές οι απώλειες ενέργειας θα εξουδετερώσουν την κίνηση της επιφάνειας επαφής, αυξάνοντας τη συγκολλητική δύναμη κατά τον διαχωρισμό.
Μια άλλη εξήγηση επικεντρώθηκε σε μια διαδικασία που ονομάζεται γήρανση επαφής, η οποία περιλαμβάνει το σχηματισμό χημικών δεσμών στην επιφάνεια επαφής. Σύμφωνα με αυτή την υπόθεση, όσο περισσότερο υπάρχει η επαφή, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η πρόσφυση.
Αν και και οι δύο εξηγήσεις ακούγονται φυσικώς εύλογες, «Οι προσομοιώσεις μας δείχνουν ότι η παρατηρούμενη υστέρηση μπορεί να εξηγηθεί χωρίς αυτούς τους συγκεκριμένους μηχανισμούς διάχυσης ενέργειας», λέει. Αντουάν Σανέρ, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Φράιμπουργκ που έκανε το μεγαλύτερο μέρος της θεωρητικής εργασίας της μελέτης. «Η μόνη πηγή διασποράς ενέργειας στο αριθμητικό μας μοντέλο είναι η ξαφνική μεταπηδητική κίνηση της άκρης της επαφής, η οποία προκαλείται από την τραχύτητα της επιφάνειας».
Απλοποίηση του σχεδιασμού των συγκολλητικών
Επειδή τα συστήματα υλικών που έχουν σχεδιαστεί για να είναι κολλώδη είναι συχνά επίσης σχεδιασμένα για να είναι ιξωδοελαστικά, ο Pastewka λέει ότι η νέα εργασία μπορεί να απλοποιήσει τον σχεδιασμό των (αναστρέψιμων) συγκολλητικών. Τέτοιες κόλλες μπορεί να χρησιμοποιηθούν στη μετακίνηση μαλακών ρομπότ, όπου υπάρχει ανάγκη ελέγχου της φέρουσας ικανότητας των άκρων επαφής των ρομπότ. Μια άλλη εφαρμογή μπορεί να είναι τα συστήματα pick-and-place για εργοστάσια παραγωγής, τα οποία βασίζονται όλο και περισσότερο στην μαλακή ρομποτική.
Οι φυσαλίδες κάνουν τους επίδεσμους πιο κολλώδεις
Οι διεργασίες που περιγράφονται σε αυτή τη μελέτη επηρεάζονται επίσης από τις διεπιφανειακές γέφυρες νερού και οι ερευνητές λένε ότι τώρα διερευνούν την επίδραση του νερού στην πρόσφυση – ιδιαίτερα με τη μορφή τριχοειδών συμφύσεων. «Δεδομένου ότι το νερό είναι πανταχού παρόν, πιστεύω ότι οι περισσότεροι συγκολλητικοί σύνδεσμοι διαμεσολαβούνται τουλάχιστον σε κάποιο βαθμό από το νερό», λέει ο Pastewka. «Μπορεί επομένως να είμαστε σε θέση να κατασκευάσουμε παρόμοια (και ακόμη πιο απλά) μοντέλα για τριχοειδή αγγεία στις διεπαφές».
Όλα αυτά είναι ένα κάπως εκπληκτικό αποτέλεσμα για ένα ερευνητικό έργο το οποίο, σύμφωνα με τον Pastewka, επικεντρώθηκε αρχικά στον τριβοηλεκτρισμό - το φαινόμενο κατά το οποίο οι επιφάνειες που έρχονται σε επαφή μεταξύ τους φορτίζονται. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να αξιοποιηθεί για τη συλλογή ενέργειας και σχετίζεται επίσης με τις διαδικασίες που φορτίζουν τα σύννεφα κατά τη διάρκεια καταιγίδων και παράγουν κεραυνούς. «Προηγούμενη έρευνα έχει δείξει ότι η φόρτιση εμφανίζεται σε συγκεκριμένα μοτίβα στις διεπαφές και πιστεύαμε ότι έτσι μπορεί να σχετίζεται με τον τρόπο με τον οποίο αποσπώνται οι διεπαφές», λέει ο Pastewka. Κόσμος Φυσικής. «Αυτός είναι ο λόγος που αποφασίσαμε να εξετάσουμε τις λεπτομέρειες των διαδικασιών απόσπασης και βρήκαμε τις αστάθειες ολίσθησης».
Η εργασία περιγράφεται αναλυτικά στο Προκαταβολές Επιστήμη.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
