Onderzoekers in Duitsland en de VS hebben een nieuwe verklaring gevonden waarom zachte vaste stoffen gemakkelijk aan oppervlakken blijven plakken, maar moeilijk te verwijderen zijn. Hoewel experts lange tijd hadden aangenomen dat verschillende chemische processen en materiaalspecifieke eigenschappen een rol zouden kunnen spelen bij deze zogenaamde adhesieve hysteresis, heeft een team van de universiteiten van Freiburg, Pittsburgh en Akron nu aangetoond dat oppervlakteruwheid alleen al voldoende is om dit te verklaren. . Volgens het team zou deze bevinding de manier waarop we denken over de plakkerigheid van zachte materialen fundamenteel kunnen veranderen.
Als je het ooit gemakkelijk hebt gevonden om een voorwerp ergens aan vast te plakken, maar bijna onmogelijk om het er weer vanaf te krijgen als het eenmaal vastzit, dan heb je adhesieve hysteresis in actie gezien. “Elk zacht materiaal zal deze hysteresis vertonen bij het maken van contact”, legt teamco-leider uit Lars Pastewka, een natuurkundige in de afdeling microsysteemtechniek in Freiburg. “Scotchtape en plakbriefjes hechten gemakkelijk, maar zijn moeilijk los te maken.”
In 1966 ontwikkelden wetenschappers die dit gedrag probeerden te verklaren een vuistregel, het Dahlquist-criterium. Dit criterium stelt dat als een materiaal erg zacht is – wat volgens Pastewka soms wordt vertaald als een Young-modulus van minder dan 0.1 MPa – het zich zal “binden” wanneer het in contact wordt gebracht, en het zal deze “binding” behouden wanneer het wordt losgelaten.
In de nieuwe studie zegt Pastewka: “We laten zien dat er geen echte ‘verbinding’ is, maar dat ruwheid de contactlijn vastzet, wat een fysieke verklaring oplevert voor het Dahlquist-criterium.”
‘Stick-slip’-instabiliteiten verdrijven energie
Om tot deze conclusie te komen, hebben Pastewka en collega's van Freiburg en de levenMatS Cluster van uitmuntendheid ontwikkelde modellen die verschillende onderdelen van techniek en natuurkunde met elkaar verweven. Deze onderdelen omvatten standaard contact- en breukmechanica, maar ook meer abstract onderzoek naar elastische lijnen in willekeurige media (een onderwerp dat valt binnen de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met complexe systemen). De resultaten van deze modellen lieten discrete ‘sprongen’ zien, bekend als stick-slip-instabiliteiten, die optreden wanneer de randen van elastische lichamen met elkaar in contact komen.
Deze stick-slip-instabiliteiten verdrijven energie en leiden tot hysteresis, en Pastewka zegt dat zijn theorie- en modelleringsgroep in Freiburg de hypothese had dat ze ook een rol zouden kunnen spelen bij adhesie. “Om dit te bevestigen, hebben we onze experimentele collega’s bij Akron gevraagd hun metingen te controleren”, zegt hij. “Ze hebben deze sprongen ook gezien.”
Hypotheses uit het verleden
Wetenschappers hadden eerder gesuggereerd dat adhesiehysteresis in zachte vaste stoffen veroorzaakt zou kunnen worden door de dissipatie van visco-elastische energie – dat wil zeggen energie die verloren gaat door hitte wanneer een materiaal vervormt tijdens contact. Als een materiaal samendrukt tijdens het contact en uitzet tijdens het loslaten, zouden deze energieverliezen de beweging van het contactoppervlak tegenwerken, waardoor de houdkracht tijdens het scheiden toeneemt.
Een andere verklaring concentreerde zich op een proces dat contactveroudering wordt genoemd, waarbij chemische bindingen op het contactoppervlak worden gevormd. Volgens deze hypothese geldt dat hoe langer het contact bestaat, hoe groter de hechting zal zijn.
Hoewel beide verklaringen fysiek plausibel klinken, “laten onze simulaties zien dat de waargenomen hysteresis verklaard kan worden zonder deze specifieke mechanismen voor energiedissipatie”, zegt Antoine Sanner, een postdoctoraal onderzoeker in Freiburg die het grootste deel van het theoretische werk van de studie deed. “De enige bron van energiedissipatie in ons numeriek model is de plotselinge sprongbeweging van de rand van het contact, die wordt veroorzaakt door de ruwheid van het oppervlak.”
Vereenvoudiging van het ontwerp van lijmen
Omdat materiaalsystemen die zijn ontworpen om kleverig te zijn, vaak ook zijn ontworpen om visco-elastisch te zijn, zegt Pastewka dat het nieuwe werk het ontwerp van (omkeerbare) lijmen kan vereenvoudigen. Dergelijke lijmen kunnen worden gebruikt bij de voortbeweging van zachte robots, waarbij er behoefte is aan controle van het draagvermogen van de contacterende ledematen van de robots. Een andere toepassing kunnen pick-and-place-systemen zijn voor productiefabrieken, die steeds meer afhankelijk zijn van zachte robotica.
Bubbels maken verbanden plakkeriger
De processen die in dit onderzoek worden beschreven, worden ook beïnvloed door grensvlakwaterbruggen, en de onderzoekers zeggen dat ze nu de invloed van water op de adhesie onderzoeken, vooral in de vorm van capillaire adhesies. “Aangezien water alomtegenwoordig is, denk ik dat de meeste lijmverbindingen op zijn minst tot op zekere hoogte door water worden gemedieerd”, zegt Pastewka. “Misschien kunnen we daarom vergelijkbare (en zelfs eenvoudigere) modellen construeren voor capillairen op grensvlakken.”
Dit alles is een enigszins verrassende uitkomst voor een onderzoeksproject dat zich volgens Pastewka oorspronkelijk richtte op tribo-elektriciteit – het fenomeen waarbij oppervlakken die met elkaar in contact komen geladen worden. Dit effect kan worden benut voor het oogsten van energie, en houdt ook verband met de processen die wolken tijdens onweersbuien opladen en bliksem produceren. “Eerder onderzoek heeft aangetoond dat lading optreedt in specifieke patronen op interfaces, en we dachten dat dit verband zou kunnen houden met de manier waarop interfaces loskomen”, vertelt Pastewka. Natuurkunde wereld. “Dit is de reden waarom we besloten om de details van de onthechtingsprocessen te onderzoeken en de stick-slip-instabiliteiten ontdekten.”
Het werk is gedetailleerd in Wetenschap Advances.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
