Des chercheurs allemands et américains ont découvert une nouvelle explication expliquant pourquoi les solides mous adhèrent facilement aux surfaces mais sont difficiles à éliminer. Bien que les experts aient longtemps émis l'hypothèse que divers processus chimiques et propriétés spécifiques aux matériaux pourraient jouer un rôle dans cette hystérésis adhésive, une équipe des universités de Fribourg, Pittsburgh et Akron a maintenant montré que la rugosité de la surface suffit à elle seule à en expliquer la cause. . Selon l’équipe, cette découverte pourrait changer fondamentalement notre façon de penser le caractère collant des matériaux souples.
Si vous avez déjà trouvé facile de coller un objet sur quelque chose, mais presque impossible de l'enlever une fois collé, vous avez observé l'hystérésis adhésif en action. "Tout matériau souple présentera cette hystérésis lors de la prise de contact", explique le co-responsable de l'équipe. Lars Pastewka, physicien département d'ingénierie des microsystèmes à Fribourg. « Le scotch et les notes autocollantes se fixent facilement mais sont difficiles à détacher. »
En 1966, les scientifiques cherchant à expliquer ce comportement ont élaboré une règle empirique appelée critère de Dahlquist. Ce critère stipule que si un matériau est très mou – ce qui, selon Pastewka, est parfois traduit par un module d'Young inférieur à 0.1 MPa – il « se liera » lorsqu'il sera poussé en contact, et il maintiendra cette « liaison » lorsqu'il sera relâché.
Dans la nouvelle étude, Pastewka déclare : « Nous montrons qu’il n’y a pas de véritable « liaison », mais que la rugosité fixe la ligne de contact, ce qui donne une explication physique au critère de Dahlquist. »
Les instabilités « stick-slip » dissipent l’énergie
Pour parvenir à cette conclusion, Pastewka et ses collègues de Fribourg et du LivPôle d'excellence MatS développé des modèles qui associent différents volets de l’ingénierie et de la physique. Ces domaines incluent la mécanique standard des contacts et des fractures ainsi que des recherches plus abstraites sur les lignes élastiques dans des milieux aléatoires (un sujet qui relève de la branche de la physique traitant des systèmes complexes). Les résultats de ces modèles ont montré des « sauts » discrets appelés instabilités de stick-slip se produisant lorsque les périmètres de corps élastiques se touchent.
Ces instabilités de stick-slip dissipent l'énergie et conduisent à l'hystérésis, et Pastewka dit que son groupe de théorie et de modélisation à Fribourg a émis l'hypothèse qu'elles pourraient également jouer un rôle dans l'adhésion. "Pour confirmer cela, nous avons demandé à nos collègues expérimentateurs d'Akron de vérifier leurs mesures", explique-t-il. "Ils ont aussi vu ces sauts."
Hypothèses passées
Les scientifiques avaient précédemment suggéré que l’hystérésis d’adhésion dans les solides mous pourrait être causée par la dissipation de l’énergie viscoélastique, c’est-à-dire l’énergie perdue en chaleur lorsqu’un matériau se déforme lors du contact. Si un matériau se comprime lors du contact et se dilate lors de la libération, ces pertes d'énergie contrecarreraient le mouvement de la surface de contact, augmentant ainsi la force d'adhérence lors de la séparation.
Une autre explication était centrée sur un processus appelé vieillissement par contact, qui implique la formation de liaisons chimiques sur la surface de contact. Dans cette hypothèse, plus le contact existe longtemps, plus l'adhésion sera forte.
Bien que les deux explications semblent physiquement plausibles, "nos simulations montrent que l'hystérésis observée peut être expliquée sans ces mécanismes spécifiques de dissipation d'énergie", explique Antoine Sanner, chercheur postdoctoral à Fribourg, qui a réalisé l'essentiel du travail théorique de l'étude. "La seule source de dissipation d'énergie dans notre modèle numérique est le mouvement brusque du bord du contact, induit par la rugosité de la surface."
Simplifier la conception des adhésifs
Étant donné que les systèmes de matériaux conçus pour être collants sont souvent également conçus pour être viscoélastiques, Pastewka affirme que les nouveaux travaux pourraient simplifier la conception d'adhésifs (réversibles). De tels adhésifs pourraient être utilisés dans la locomotion de robots mous, lorsqu'il est nécessaire de contrôler la capacité de charge des membres en contact des robots. Une autre application pourrait être celle des systèmes pick-and-place pour les usines de fabrication, qui s'appuient de plus en plus sur la robotique douce.
Les bulles rendent les pansements plus collants
Les processus décrits dans cette étude sont également affectés par les ponts d’eau interfaciaux, et les chercheurs affirment qu’ils explorent désormais l’influence de l’eau sur l’adhésion – notamment sous la forme d’adhésions capillaires. "Comme l'eau est omniprésente, je pense que la plupart des joints adhésifs sont au moins dans une certaine mesure médiés par l'eau", explique Pastewka. "Nous pourrons donc peut-être construire des modèles similaires (et encore plus simples) pour les capillaires aux interfaces."
Tout cela constitue un résultat quelque peu surprenant pour un projet de recherche qui, selon Pastewka, se concentrait à l'origine sur la triboélectricité, le phénomène par lequel les surfaces en contact les unes avec les autres se chargent. Cet effet peut être exploité pour la récupération d’énergie et est également lié aux processus qui chargent les nuages pendant les orages et produisent des éclairs. "Des recherches antérieures ont montré que la charge se produit selon des modèles spécifiques sur les interfaces, et nous avons pensé que cela pourrait être lié à la façon dont les interfaces se détachent", explique Pastewka. Monde de la physique. "C'est pourquoi nous avons décidé d'examiner les détails des processus de détachement et avons découvert les instabilités de stick-slip."
Le travail est détaillé dans Science Advances.
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- La source: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
