Ricercatori in Germania e negli Stati Uniti hanno trovato una nuova spiegazione del motivo per cui i solidi morbidi si attaccano facilmente alle superfici ma sono difficili da rimuovere. Sebbene gli esperti avessero da tempo ipotizzato che vari processi chimici e proprietà specifiche dei materiali potessero svolgere un ruolo in questa cosiddetta isteresi adesiva, un team delle università di Friburgo, Pittsburgh e Akron ha ora dimostrato che la sola rugosità superficiale è sufficiente a spiegarlo . Secondo il team, questa scoperta potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui pensiamo alla viscosità dei materiali morbidi.
Se ti è mai capitato di trovare facile attaccare un oggetto a qualcosa, ma quasi impossibile toglierlo una volta bloccato, hai osservato l'isteresi adesiva in azione. "Qualsiasi materiale morbido mostrerà questa isteresi quando entra in contatto", spiega il co-leader del team Lars Pastewka, un fisico del dipartimento di ingegneria dei microsistemi a Friburgo. "Il nastro adesivo e i foglietti adesivi si attaccano facilmente ma sono difficili da staccare."
Nel 1966, gli scienziati che cercavano di spiegare questo comportamento svilupparono una regola pratica chiamata criterio di Dahlquist. Questo criterio afferma che se un materiale è molto morbido – che secondo Pastewka viene talvolta tradotto come richiedente un modulo di Young inferiore a 0.1 MPa – si “legherà” quando spinto in contatto e manterrà questo “legame” quando viene rilasciato.
Nel nuovo studio, Pastewka afferma: “Dimostriamo che non esiste un vero e proprio “legame”, ma che la rugosità fissa la linea di contatto, fornendo una spiegazione fisica per il criterio di Dahlquist”.
Le instabilità “stick-slip” dissipano energia
Per giungere a questa conclusione, Pastewka e colleghi di Friburgo e l' livCluster di Eccellenza MatS hanno sviluppato modelli che intrecciano diversi filoni dell’ingegneria e della fisica. Questi filoni includono la meccanica standard del contatto e della frattura, nonché ricerche più astratte sulle linee elastiche in mezzi casuali (un argomento che rientra nel ramo della fisica che si occupa dei sistemi complessi). I risultati di questi modelli hanno mostrato “salti” discreti noti come instabilità stick-slip che si verificano quando i perimetri dei corpi elastici entrano in contatto tra loro.
Queste instabilità stick-slip dissipano energia e portano all'isteresi, e Pastewka afferma che il suo gruppo di teoria e modellizzazione a Friburgo ha ipotizzato che potrebbero anche svolgere un ruolo nell'adesione. "Per confermarlo, abbiamo chiesto ai nostri colleghi sperimentali di Akron di verificare le loro misurazioni", afferma. "Hanno visto anche questi salti."
Ipotesi passate
Gli scienziati avevano precedentemente suggerito che l’isteresi di adesione nei solidi morbidi potrebbe essere causata dalla dissipazione dell’energia viscoelastica, ovvero l’energia persa nel calore quando un materiale si deforma durante il contatto. Se un materiale si comprime durante il contatto e si espande durante il rilascio, queste perdite di energia contrasterebbero il movimento della superficie di contatto, aumentando la forza adesiva durante la separazione.
Un’altra spiegazione era incentrata su un processo chiamato invecchiamento da contatto, che comporta la formazione di legami chimici sulla superficie di contatto. In questa ipotesi, più a lungo esiste il contatto, maggiore sarà l'adesione.
Sebbene entrambe le spiegazioni sembrino fisicamente plausibili, "le nostre simulazioni mostrano che l'isteresi osservata può essere spiegata senza questi specifici meccanismi di dissipazione dell'energia", afferma Antonio Sanner, un ricercatore post-dottorato a Friburgo che ha svolto la maggior parte del lavoro teorico dello studio. “L’unica fonte di dissipazione di energia nel nostro modello numerico è l’improvviso movimento di salto del bordo del contatto, che è indotto dalla rugosità della superficie.”
Semplificare la progettazione degli adesivi
Poiché i sistemi di materiali progettati per essere appiccicosi sono spesso progettati anche per essere viscoelastici, Pastewka afferma che il nuovo lavoro potrebbe semplificare la progettazione di adesivi (reversibili). Tali adesivi potrebbero essere impiegati nella locomozione di robot morbidi, dove è necessario controllare la capacità di carico degli arti a contatto dei robot. Un’altra applicazione potrebbero essere i sistemi pick-and-place per gli impianti di produzione, che fanno sempre più affidamento sulla robotica morbida.
Le bolle rendono le bende più appiccicose
I processi descritti in questo studio sono influenzati anche dai ponti idrici interfacciali e i ricercatori affermano che ora stanno esplorando l’influenza dell’acqua sull’adesione, in particolare sotto forma di aderenze capillari. "Poiché l'acqua è onnipresente, credo che la maggior parte dei giunti adesivi siano almeno in una certa misura mediati dall'acqua", afferma Pastewka. “Potremmo quindi essere in grado di costruire modelli simili (e anche più semplici) per i capillari alle interfacce”.
Tutto questo è un risultato alquanto sorprendente per un progetto di ricerca che, secondo Pastewka, originariamente si concentrava sulla triboelettricità, il fenomeno per cui le superfici in contatto tra loro si caricano. Questo effetto può essere sfruttato per la raccolta di energia ed è anche legato ai processi che caricano le nuvole durante i temporali e producono fulmini. "Ricerche precedenti hanno dimostrato che la carica si verifica secondo modelli specifici sulle interfacce, e abbiamo pensato che ciò potesse essere correlato al modo in cui le interfacce si staccano", dice Pastewka Mondo della fisica. “Ecco perché abbiamo deciso di esaminare i dettagli dei processi di distacco e abbiamo scoperto le instabilità stick-slip”.
Il lavoro è dettagliato in Anticipi Scienza.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
