독일과 미국의 연구자들은 부드러운 고체가 표면에 쉽게 달라붙지만 제거하기 어려운 이유에 대한 새로운 설명을 발견했습니다. 전문가들은 다양한 화학적 공정과 재료별 특성이 소위 접착 히스테리시스에서 역할을 할 수 있다고 오랫동안 가설을 세웠지만, 이제 프라이부르크, 피츠버그, 아크론 대학의 팀은 표면 거칠기만으로도 이를 설명하기에 충분하다는 것을 보여주었습니다. . 연구팀에 따르면, 이번 발견은 부드러운 소재의 끈적임에 대한 우리의 생각을 근본적으로 바꿀 수 있다고 합니다.
물체를 무언가에 붙이는 것은 쉽지만 일단 붙어 있으면 떼어내는 것이 거의 불가능하다고 생각한 적이 있다면 접착 히스테리시스가 작용하는 것을 관찰한 것입니다. 팀 공동 리더는 “부드러운 소재라면 접촉 시 이력 현상이 나타납니다.”라고 설명합니다. 라스 파스테우카, 물리학자 프라이부르크 마이크로시스템 공학과. “스카치테이프와 포스트잇은 쉽게 붙지만 떼어내기는 어렵습니다.”
1966년에 이러한 행동을 설명하려는 과학자들은 달퀴스트 기준(Dahlquist criterion)이라는 경험 법칙을 개발했습니다. 이 기준에 따르면 재료가 매우 부드러운 경우(Pastewka는 때때로 0.1MPa 미만의 영률을 요구하는 것으로 해석됨) 접촉할 때 "결합"하고 풀릴 때 이 "결합"을 유지합니다.
새로운 연구에서 Pastewka는 "우리는 실제 '결합'이 없지만 거칠기가 접촉 선을 고정시켜 Dahlquist 기준에 대한 물리적 설명을 제공한다는 것을 보여줍니다."라고 말합니다.
"스틱 슬립" 불안정으로 인해 에너지가 소실됩니다.
이 결론에 도달하기 위해 프라이부르크의 Pastewka와 동료들은 생활MatS 우수 클러스터 공학과 물리학의 다양한 요소를 하나로 엮는 모델을 개발했습니다. 이러한 가닥에는 표준 접촉 및 파괴 역학뿐만 아니라 임의 매체의 탄성선에 대한 보다 추상적인 연구(복잡한 시스템을 다루는 물리학 분야에 속하는 주제)가 포함됩니다. 이 모델의 결과는 탄성체의 둘레가 서로 접촉할 때 발생하는 스틱 슬립 불안정성으로 알려진 개별 "점프"를 보여주었습니다.
이러한 스틱-슬립 불안정성은 에너지를 소산하고 히스테리시스를 유발하며 Pastewka는 Freiburg의 그의 이론 및 모델링 그룹이 접착에도 역할을 할 수 있다는 가설을 세웠다고 말합니다. "이를 확인하기 위해 우리는 Akron의 실험 동료들에게 측정값을 확인하도록 요청했습니다."라고 그는 말합니다. "그들은 또한 이러한 점프를 보았습니다."
과거 가설
과학자들은 이전에 부드러운 고체의 접착 히스테리시스가 점탄성 에너지(즉, 접촉 중에 재료가 변형될 때 열로 손실되는 에너지)의 소실로 인해 발생할 수 있다고 제안했습니다. 재료가 접촉 중에 압축되고 분리 중에 팽창하는 경우 이러한 에너지 손실은 접촉 표면의 움직임을 방해하여 분리 중에 접착력을 증가시킵니다.
또 다른 설명은 접촉 표면에 화학 결합이 형성되는 접촉 노화라는 과정에 중점을 둡니다. 이 가설에 따르면 접촉이 오래 지속될수록 접착력은 더 커집니다.
두 가지 설명 모두 물리적으로 그럴듯하게 들리지만 "우리의 시뮬레이션은 관찰된 히스테리시스가 이러한 특정 에너지 소산 메커니즘 없이도 설명될 수 있음을 보여줍니다."라고 말합니다. 앙투안 산네르, Freiburg의 박사후 연구원으로 연구의 이론적 작업의 대부분을 수행했습니다. "우리 수치 모델에서 에너지 소산의 유일한 원인은 표면 거칠기에 의해 유발되는 접촉 가장자리의 갑작스러운 점프 움직임입니다."
접착제 설계 단순화
끈적이도록 설계된 재료 시스템은 종종 점탄성으로도 설계되기 때문에 Pastewka는 새로운 연구가 (가역적) 접착제의 설계를 단순화할 수 있다고 말합니다. 이러한 접착제는 로봇의 접촉 팔다리의 하중 지지 용량을 제어해야 하는 소프트 로봇의 이동에 사용될 수 있습니다. 또 다른 응용 분야는 소프트 로봇 공학에 점점 더 의존하고 있는 제조 공장을 위한 픽 앤 플레이스 시스템일 수 있습니다.
거품은 붕대를 더 끈적하게 만듭니다.
이 연구에 설명된 과정은 계면 수교의 영향도 받으며, 연구진은 특히 모세관 접착 형태에서 접착에 대한 물의 영향을 조사하고 있다고 말합니다. Pastewka는 "물은 어디에나 존재하기 때문에 대부분의 접착 조인트는 적어도 어느 정도 물에 의해 매개된다고 믿습니다."라고 말합니다. "그러므로 우리는 인터페이스에서 모세관에 대해 유사한 (그리고 훨씬 더 간단한) 모델을 구성할 수 있을 것입니다."
Pastewka에 따르면 이 모든 것은 원래 마찰 전기(서로 접촉하는 표면이 대전되는 현상)에 초점을 맞춘 연구 프로젝트에 대한 다소 놀라운 결과입니다. 이 효과는 에너지 수확에 활용될 수 있으며 뇌우 중에 구름을 충전하고 번개를 생성하는 프로세스와도 관련이 있습니다. Pastewka는 "이전 연구에서는 인터페이스의 특정 패턴으로 전하가 발생한다는 사실을 보여 주었고 따라서 인터페이스가 분리되는 방식과 관련이 있을 수 있다고 생각했습니다."라고 말합니다. 물리 세계. "이것이 우리가 분리 과정의 세부 사항을 조사하고 스틱 슬립 불안정성을 발견하기로 결정한 이유입니다."
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