Saksalaiset ja yhdysvaltalaiset tutkijat ovat löytäneet uuden selityksen sille, miksi pehmeät kiinteät aineet tarttuvat helposti pintoihin, mutta niitä on vaikea poistaa. Vaikka asiantuntijat olivat pitkään olettaneet, että erilaiset kemialliset prosessit ja materiaalispesifiset ominaisuudet voisivat olla osallisena tässä niin sanotussa liimahystereesissä, Freiburgin, Pittsburghin ja Akronin yliopistojen työryhmä on nyt osoittanut, että pelkkä pinnan karheus riittää selittämään sen. . Ryhmän mukaan tämä löytö voi muuttaa perusteellisesti tapaamme ajatella pehmeiden materiaalien tahmeutta.
Jos olet koskaan huomannut, että esineen kiinnittäminen johonkin on helppoa, mutta sen saaminen pois siitä on lähes mahdotonta, kun se on kiinni, olet havainnut liimahystereesiä toiminnassa. "Kaikki pehmeät materiaalit osoittavat tämän hystereesin koskettaessa", selittää tiimin toinen johtaja Lars Pastewka, fyysikko mikrosysteemitekniikan osasto Freiburgissa. "Teippi ja tarralaput kiinnittyvät helposti, mutta niitä on vaikea irrottaa."
Vuonna 1966 tutkijat, jotka yrittivät selittää tätä käyttäytymistä, kehittivät peukalosääntön, jota kutsutaan Dahlquistin kriteeriksi. Tämä kriteeri sanoo, että jos materiaali on erittäin pehmeää – mikä Pastewkan mukaan joskus käännetään siten, että se vaatii alle 0.1 MPa:n Youngin moduulin – se "sitoutuu" kosketukseen työnnettäessä ja säilyttää tämän "sidoksen" vapautuessaan.
Uudessa tutkimuksessa Pastewka sanoo: "Osoitamme, että todellista "sidosta" ei ole, mutta että karheus nastaa kosketuslinjan, mikä antaa fyysisen selityksen Dahlquistin kriteerille."
"Stick-slip" epävakaus haihduttaa energiaa
Tämän johtopäätöksen saavuttamiseksi Pastewka ja kollegat Freiburgissa ja ElämäMatS huippuosaamisen klusteri kehitti malleja, jotka kutovat yhteen eri tekniikan ja fysiikan osa-alueita. Näihin osa-alueisiin kuuluvat standardi kosketus- ja murtumismekaniikka sekä abstraktimpi tutkimus elastisista viivoista satunnaisissa väliaineissa (aihe, joka kuuluu monimutkaisia järjestelmiä käsittelevään fysiikan haaraan). Näiden mallien tulokset osoittivat diskreettejä "hyppyjä", joita kutsutaan stick-slip-epävakauksiksi, kun elastisten kappaleiden kehät koskettavat toisiaan.
Nämä stick-slip-epävakaudet haihduttavat energiaa ja johtavat hystereesiin, ja Pastewka sanoo, että hänen teoriansa ja mallinnusryhmänsä Freiburgissa olettivat, että niillä voisi olla myös rooli kiinnittymisessä. "Tämän vahvistamiseksi pyysimme Akronin kokeellisia kollegoitamme tarkistamaan mittauksensa", hän sanoo. "He näkivät myös nämä hyppyt."
Menneet hypoteesit
Tiedemiehet olivat aiemmin ehdottaneet, että adheesiohystereesi pehmeissä kiinteissä aineissa saattaa johtua viskoelastisen energian hajoamisesta – eli energiasta, joka menetetään lämmössä, kun materiaali muuttaa muotoaan kosketuksen aikana. Jos materiaali puristuu kosketuksen aikana ja laajenee vapautumisen aikana, nämä energiahäviöt vastustaisivat kosketuspinnan liikettä ja lisäisivät tartuntavoimaa erotuksen aikana.
Toinen selitys keskittyi prosessiin, jota kutsutaan kontaktivanhenemiseksi, joka sisältää kemiallisten sidosten muodostumisen kosketuspinnalle. Tämän hypoteesin mukaan mitä pidempi kontakti on olemassa, sitä suurempi tarttuvuus on.
Vaikka molemmat selitykset kuulostavat fyysisesti uskottavilta, "Simulaatiomme osoittavat, että havaittu hystereesi voidaan selittää ilman näitä erityisiä energianhäviömekanismeja", sanoo Antoine Sanner, tutkijatohtori Freiburgissa, joka teki suurimman osan tutkimuksen teoreettisesta työstä. "Ainoa energian haihtumisen lähde numeerisessa mallissamme on koskettimen reunan äkillinen hyppäävä liike, jonka aiheuttaa pinnan karheus."
Yksinkertaistaa liimojen suunnittelua
Koska tahmeiksi suunnitellut materiaalijärjestelmät on usein suunniteltu myös viskoelastisiksi, Pastewka sanoo, että uusi työ voi yksinkertaistaa (käännettävien) liimojen suunnittelua. Tällaisia liimoja voidaan käyttää pehmeiden robottien liikkeessä, jossa on tarve kontrolloida robottien kosketuksissa olevien raajojen kantokykyä. Toinen sovellus voisi olla pick-and-place -järjestelmät tuotantolaitoksille, jotka luottavat yhä enemmän pehmeään robotiikkaan.
Kuplat tekevät siteistä tahmeampia
Tässä tutkimuksessa kuvattuihin prosesseihin vaikuttavat myös rajapinnat vesisillat, ja tutkijat sanovat nyt tutkivansa veden vaikutusta tarttumiseen – erityisesti kapillaarikiinnittymien muodossa. "Koska vettä on kaikkialla, uskon, että useimmat liimaliitokset ovat ainakin jossain määrin veden välittämiä", Pastewka sanoo. "Siksi voimme ehkä rakentaa samanlaisia (ja jopa yksinkertaisempia) malleja kapillaareille rajapinnoilla."
Kaikki tämä on jokseenkin yllättävä tulos tutkimusprojektille, joka Pastewkan mukaan alun perin keskittyi tribosähköisyyteen - ilmiöön, jossa toistensa kanssa kosketuksissa olevat pinnat varautuvat. Tätä vaikutusta voidaan hyödyntää energian talteenotossa, ja se liittyy myös prosesseihin, jotka lataavat pilviä ukkosmyrskyjen aikana ja aiheuttavat salamoita. "Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että varaus tapahtuu tietyissä rajapinnoissa, ja ajattelimme, että tämä voi liittyä liitäntöjen irtoamiseen", Pastewka kertoo. Fysiikan maailma. "Tästä syystä päätimme tutkia irrotusprosessien yksityiskohtia ja havaitsimme tarttuvan epävakauden."
Työ on kuvattu yksityiskohtaisesti Tiede ennakot.
- SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
- PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
- PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
- PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
- Lähde: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
