ドイツと米国の研究者は、なぜ柔らかい固体が表面に簡単にくっつくのに取り除くのが難しいのかについての新たな説明を発見した。専門家は長い間、さまざまな化学プロセスや材料固有の特性がこのいわゆる接着ヒステリシスに影響を与える可能性があると仮説を立てていましたが、フライブルク大学、ピッツバーグ大学、アクロン大学のチームは、表面粗さだけでこのヒステリシスを説明するのに十分であることを示しました。 。研究チームによると、この発見は柔らかい素材の粘着性についての考え方を根本的に変える可能性があるという。
物体を何かに貼り付けるのは簡単だが、一度貼り付いてしまうと剥がすのはほぼ不可能であると感じたことがあるなら、粘着ヒステリシスが働いているのを観察したことになるでしょう。 「どんな柔らかい素材でも、接触するとこのヒステリシスが現れます」とチームの共同リーダーは説明します。 ラース・パストゥカの物理学者。 フライブルクのマイクロシステム工学科。 「セロハンテープや付箋は簡単に貼れますが、剥がすのは難しいです。」
1966 年、この行動を説明しようとしている科学者は、ダールキスト基準と呼ばれる経験則を開発しました。この基準は、材料が非常に柔らかい場合（パステウカ氏によれば、ヤング率が 0.1 MPa 未満である必要があると解釈されることもあると述べています）、材料は押し込まれたときに「結合」し、解放されたときにこの「結合」を維持すると述べています。
新しい研究でパステウカ氏は、「本当の『結合』は存在しないが、粗さが接触線を固定していることを示し、ダールキスト基準の物理的な説明が得られる」と述べている。
「スティックスリップ」不安定性によりエネルギーが散逸される
この結論に達するために、パステウカとフライブルクの同僚、そして LIVMatS クラスター オブ エクセレンス 工学と物理学のさまざまな要素を織り交ぜたモデルを開発しました。これらのストランドには、標準的な接触力学や破壊力学だけでなく、ランダム媒体内の弾性線に関するより抽象的な研究 (複雑なシステムを扱う物理学の分野にあるトピック) が含まれます。これらのモデルの結果は、弾性体の周囲が互いに接触するときに発生するスティックスリップ不安定性として知られる離散的な「ジャンプ」を示しました。
これらのスティックスリップ不安定性はエネルギーを散逸させ、ヒステリシスを引き起こすため、フライブルクの彼の理論およびモデル化グループは、それらが接着にも役割を果たしている可能性があるとの仮説を立てたとパステウカ氏は述べています。 「これを確認するために、アクロン社の実験仲間に測定値を確認するよう依頼しました」と彼は言います。 「彼らもこのジャンプを見ていました。」
過去の仮説
科学者らは以前、軟質固体における接着ヒステリシスは粘弾性エネルギー、つまり接触中に材料が変形する際に熱によって失われるエネルギーの散逸によって引き起こされる可能性があると示唆していた。材料が接触中に圧縮し、解放中に膨張すると、これらのエネルギー損失が接触面の動きを妨げ、分離中の接着力を増加させます。
別の説明は、接触表面での化学結合の形成を含む、接触老化と呼ばれるプロセスに焦点を当てていました。この仮説の下では、接触が長く続くほど、接着力は大きくなります。
どちらの説明も物理的にもっともらしく聞こえますが、「私たちのシミュレーションは、観察されたヒステリシスがこれらの特定のエネルギー散逸メカニズムなしでも説明できることを示しています」と彼は言います。 アントワーヌ・サナー、フライブルクの博士研究員で、研究の理論的研究の大部分を担当しました。 「私たちの数値モデルにおけるエネルギー散逸の唯一の原因は、表面の粗さによって引き起こされる接触端の突然のジャンプ運動です。」
接着剤設計の簡素化
粘着性になるように設計された材料システムは粘弾性になるように設計されることも多いため、パステウカ氏は、今回の研究により（可逆性）接着剤の設計が簡素化される可能性があると述べている。このような接着剤は、ロボットの接触する四肢の耐荷重能力を制御する必要があるソフトロボットの移動に使用される可能性があります。別の用途としては、ソフト ロボットへの依存が高まっている製造工場向けのピック アンド プレース システムが考えられます。
泡は包帯をより粘着性にします
この研究で説明されているプロセスは界面の水橋の影響も受けており、研究者らは現在、接着に対する水の影響、特に毛細管接着の形での影響を調査していると述べている。 「水は遍在しているので、ほとんどの接着接合は少なくともある程度は水によって媒介されていると思います」とパステウカ氏は言う。 「したがって、界面の毛細管についても同様の（そしてさらに単純な）モデルを構築できるかもしれません。」
パステウカ氏によれば、これらすべては、もともと摩擦電気、つまり互いに接触している表面が帯電する現象に焦点を当てていた研究プロジェクトにとって、いくぶん驚くべき成果である。この効果はエネルギーハーベスティングに利用することができ、雷雨の際に雲を充電して稲妻を発生させるプロセスにも関連しています。 「これまでの研究では、界面上の特定のパターンで電荷が発生することが示されており、それが界面の剥離方法に関係しているのではないかと考えました」とパステウカ氏は語る。 物理学の世界。 「これが、私たちが剥離プロセスの詳細を調査することにし、スティックスリップの不安定性を発見した理由です。」
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
