Forskere i Tyskland og USA har funnet en ny forklaring på hvorfor myke faste stoffer lett fester seg til overflater, men er vanskelige å fjerne. Selv om eksperter lenge hadde antatt at ulike kjemiske prosesser og materialspesifikke egenskaper kan spille en rolle i denne såkalte klebehysteresen, har et team ved universitetene i Freiburg, Pittsburgh og Akron nå vist at overflateruhet alene er nok til å forklare det. . Ifølge teamet kan dette funnet fundamentalt endre måten vi tenker på klebrigheten til myke materialer.
Hvis du noen gang har funnet det lett å feste en gjenstand til noe, men nesten umulig å få den av den når den først har satt seg fast, har du observert adhesiv hysterese i aksjon. "Alle myke materialer vil vise denne hysteresen når de tar kontakt," forklarer teamets medleder Lars Pastewka, en fysiker i avdeling for mikrosystemteknikk i Freiburg. "Scotch-tape og klisterlapper festes enkelt, men er vanskelig å løsne."
I 1966 utviklet forskere som forsøkte å forklare denne oppførselen en tommelfingerregel kalt Dahlquist-kriteriet. Dette kriteriet sier at hvis et materiale er veldig mykt – som Pastewka sier noen ganger oversettes til å kreve en Youngs modul på mindre enn 0.1 MPa – vil det "binde" når det presses i kontakt, og det vil opprettholde denne "bindingen" når det slippes.
I den nye studien sier Pastewka: "Vi viser at det ikke er noen reell "binding", men at ruheten fester kontaktlinjen, noe som gir en fysisk forklaring på Dahlquist-kriteriet."
"Stick-slip" ustabiliteter sprer energi
For å nå denne konklusjonen, Pastewka og kolleger ved Freiburg og livMatS Cluster of Excellence utviklet modeller som vever sammen ulike deler av ingeniørfag og fysikk. Disse trådene inkluderer standard kontakt- og bruddmekanikk så vel som mer abstrakt forskning på elastiske linjer i tilfeldige medier (et emne som ligger innenfor grenen av fysikk som omhandler komplekse systemer). Resultatene av disse modellene viste diskrete "hopp" kjent som stick-slip-ustabiliteter som oppstår når omkretsen av elastiske kropper kommer i kontakt med hverandre.
Disse stick-slip-ustabilitetene sprer energi og fører til hysterese, og Pastewka sier at teori- og modelleringsgruppen hans i Freiburg antok at de også kunne spille en rolle i adhesjon. "For å bekrefte dette, ba vi våre eksperimentelle kolleger på Akron om å sjekke målingene deres," sier han. "De så også disse hoppene."
Tidligere hypoteser
Forskere har tidligere antydet at adhesjonshysterese i myke faste stoffer kan være forårsaket av spredning av viskoelastisk energi - det vil si energi tapt til varme når et materiale deformeres under kontakt. Hvis et materiale komprimeres under kontakt og ekspanderer under frigjøring, vil disse energitapene motvirke bevegelsen av kontaktflaten, og øke klebekraften under separasjon.
En annen forklaring sentrerte seg om en prosess kalt kontaktaldring, som involverer dannelse av kjemiske bindinger på kontaktflaten. Under denne hypotesen, jo lenger kontakten eksisterer, desto større vil adhesjonen være.
Selv om begge forklaringene høres fysisk plausible ut, "Simuleringene våre viser at den observerte hysteresen kan forklares uten disse spesifikke energispredningsmekanismene," sier Antoine Sanner, en postdoktor ved Freiburg som gjorde hoveddelen av studiens teoretiske arbeid. "Den eneste kilden til energispredning i vår numeriske modell er den plutselige hoppende bevegelsen til kanten av kontakten, som er indusert av ruheten til overflaten."
Forenkling av utformingen av lim
Fordi materialsystemer designet for å være klebrige ofte også er designet for å være viskoelastiske, sier Pastewka at det nye arbeidet kan forenkle utformingen av (reversible) lim. Slike lim kan brukes i bevegelsen av myke roboter, der det er behov for å kontrollere den lastbærende kapasiteten til robotenes kontaktende lemmer. En annen applikasjon kan være pick-and-place-systemer for produksjonsanlegg, som i økende grad er avhengige av myk robotikk.
Bobler gjør bandasjer klebrigere
Prosessene beskrevet i denne studien påvirkes også av grensesnittvannbroer, og forskerne sier at de nå utforsker vanns innflytelse på adhesjon – spesielt i form av kapillære adhesjoner. "Siden vann er allestedsnærværende, tror jeg at de fleste limfuger i det minste til en viss grad formidles av vann," sier Pastewka. "Vi kan derfor være i stand til å konstruere lignende (og enda enklere) modeller for kapillærer ved grensesnitt."
Alt dette er et noe overraskende resultat for et forskningsprosjekt som, ifølge Pastewka, opprinnelig fokuserte på triboelektrisitet – fenomenet der overflater i kontakt med hverandre blir ladet. Denne effekten kan utnyttes til energihøsting, og den er også relatert til prosessene som lader opp skyer under tordenvær og produserer lyn. "Tidligere forskning har vist at ladning forekommer i spesifikke mønstre på grensesnitt, og vi tenkte at det dermed kan ha sammenheng med hvordan grensesnitt løsner," forteller Pastewka Fysikkens verden. "Dette er grunnen til at vi bestemte oss for å se nærmere på detaljene i løsrivelsesprosessene og fant stick-slip-ustabilitetene."
Arbeidet er detaljert i Vitenskap Fremskritt.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
