Pesquisadores na Alemanha e nos EUA descobriram uma nova explicação para o motivo pelo qual os sólidos macios aderem facilmente às superfícies, mas são difíceis de remover. Embora os especialistas já tivessem levantado a hipótese de que vários processos químicos e propriedades específicas de materiais poderiam desempenhar um papel nesta chamada histerese adesiva, uma equipe das universidades de Freiburg, Pittsburgh e Akron mostrou agora que a rugosidade superficial por si só é suficiente para explicar isso. . Segundo a equipe, esta descoberta pode mudar fundamentalmente a forma como pensamos sobre a viscosidade dos materiais macios.
Se você já achou fácil colar um objeto em alguma coisa, mas quase impossível retirá-lo depois de preso, você observou a histerese adesiva em ação. “Qualquer material macio apresentará essa histerese ao fazer contato”, explica o colíder da equipe Lars Pastewka, um físico do departamento de engenharia de microssistemas em Freiburg. “A fita adesiva e os post-its fixam-se facilmente, mas são difíceis de separar.”
Em 1966, cientistas que procuravam explicar esse comportamento desenvolveram uma regra prática chamada critério de Dahlquist. Este critério afirma que se um material for muito macio – o que Pastewka diz ser por vezes traduzido como exigindo um módulo de Young inferior a 0.1 MPa – ele irá “ligar-se” quando colocado em contacto, e manterá esta “ligação” quando libertado.
No novo estudo, Pastewka diz: “Mostramos que não existe uma ‘ligação’ real, mas que a rugosidade fixa a linha de contacto, produzindo uma explicação física para o critério de Dahlquist”.
Instabilidades “stick-slip” dissipam energia
Para chegar a esta conclusão, Pastewka e colegas em Freiburg e no livCluster de Excelência MatS desenvolveu modelos que entrelaçam diferentes vertentes da engenharia e da física. Essas vertentes incluem a mecânica padrão de contato e fratura, bem como pesquisas mais abstratas sobre linhas elásticas em meios aleatórios (um tópico que está dentro do ramo da física que lida com sistemas complexos). Os resultados desses modelos mostraram “saltos” discretos, conhecidos como instabilidades stick-slip, que ocorrem quando os perímetros dos corpos elásticos entram em contato entre si.
Essas instabilidades stick-slip dissipam energia e levam à histerese, e Pastewka diz que seu grupo de teoria e modelagem em Freiburg levantou a hipótese de que elas também poderiam desempenhar um papel na adesão. “Para confirmar isso, pedimos aos nossos colegas experimentais em Akron que verificassem suas medições”, diz ele. “Eles também viram esses saltos.”
Hipóteses anteriores
Os cientistas já haviam sugerido que a histerese de adesão em sólidos macios poderia ser causada pela dissipação de energia viscoelástica – isto é, energia perdida em calor quando um material se deforma durante o contato. Se um material se comprime durante o contato e se expande durante a liberação, essas perdas de energia neutralizariam o movimento da superfície de contato, aumentando a força adesiva durante a separação.
Outra explicação centrada em um processo denominado envelhecimento por contato, que envolve a formação de ligações químicas na superfície de contato. Nessa hipótese, quanto mais tempo existir o contato, maior será a adesão.
Embora ambas as explicações pareçam fisicamente plausíveis, “Nossas simulações mostram que a histerese observada pode ser explicada sem esses mecanismos específicos de dissipação de energia”, diz Antonio Sanner, pesquisador de pós-doutorado em Freiburg que realizou a maior parte do trabalho teórico do estudo. “A única fonte de dissipação de energia em nosso modelo numérico é o movimento repentino de salto da borda do contato, que é induzido pela rugosidade da superfície.”
Simplificando o design de adesivos
Como os sistemas de materiais projetados para serem pegajosos muitas vezes também são projetados para serem viscoelásticos, Pastewka diz que o novo trabalho pode simplificar o projeto de adesivos (reversíveis). Tais adesivos podem ser empregados na locomoção de robôs macios, onde há necessidade de controlar a capacidade de suporte de carga dos membros em contato dos robôs. Outra aplicação pode ser em sistemas pick-and-place para fábricas, que dependem cada vez mais de robótica suave.
As bolhas tornam os curativos mais pegajosos
Os processos descritos neste estudo também são afetados por pontes interfaciais de água, e os pesquisadores dizem que estão agora explorando a influência da água na adesão – particularmente na forma de aderências capilares. “Como a água é onipresente, acredito que a maioria das juntas adesivas são, pelo menos até certo ponto, mediadas pela água”, diz Pastewka. “Podemos, portanto, construir modelos semelhantes (e ainda mais simples) para capilares em interfaces.”
Tudo isto é um resultado um tanto surpreendente para um projeto de pesquisa que, segundo Pastewka, originalmente se concentrava na triboeletricidade – o fenômeno pelo qual superfícies em contato umas com as outras ficam carregadas. Este efeito pode ser explorado para captação de energia e também está relacionado aos processos que carregam as nuvens durante as tempestades e produzem raios. “Pesquisas anteriores mostraram que a carga ocorre em padrões específicos nas interfaces, e pensamos que isso pode estar relacionado à forma como as interfaces se separam”, disse Pastewka. Mundo da física. “É por isso que decidimos examinar os detalhes dos processos de descolamento e encontramos as instabilidades stick-slip.”
O trabalho é detalhado em Os avanços da ciência.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
