Исследователи из Германии и США нашли новое объяснение тому, почему мягкие твердые вещества легко прилипают к поверхностям, но их трудно удалить. Хотя эксперты уже давно предполагали, что различные химические процессы и специфические свойства материалов могут играть роль в этом так называемом адгезивном гистерезисе, группа из университетов Фрайбурга, Питтсбурга и Акрона теперь показала, что одной только шероховатости поверхности достаточно, чтобы объяснить это. . По мнению команды, это открытие может фундаментально изменить наше представление о липкости мягких материалов.
Если вам когда-либо казалось, что приклеить к чему-либо предмет легко, но практически невозможно оторвать его, если он уже приклеился, вы наблюдали гистерезис адгезии в действии. «Любой мягкий материал будет проявлять этот гистерезис при контакте», — объясняет соруководитель группы. Ларс Пастевка, физик в кафедра микросистемной инженерии во Фрайбурге. «Скотч и стикеры легко прикрепляются, но их трудно отсоединить».
В 1966 году ученые, стремившиеся объяснить такое поведение, разработали эмпирическое правило, названное критерием Далквиста. Этот критерий гласит, что если материал очень мягкий (что, по словам Пастевки, иногда переводится как требующий модуля Юнга менее 0.1 МПа), он будет «связываться» при контакте и будет сохранять эту «связь» при отпускании.
В новом исследовании Пастевка говорит: «Мы показываем, что настоящей «связи» не существует, но линия контакта фиксируется шероховатостью, что дает физическое объяснение критерию Далквиста».
Неустойчивости типа «прилипание-скольжение» рассеивают энергию.
Чтобы прийти к такому выводу, Пастевка и его коллеги из Фрайбурга и ЛивКластер передового опыта MatS разработали модели, которые переплетают воедино различные направления техники и физики. Эти направления включают в себя стандартную механику контакта и разрушения, а также более абстрактные исследования упругих линий в случайных средах (тема, относящаяся к разделу физики, занимающемуся сложными системами). Результаты этих моделей показали дискретные «скачки», известные как неустойчивость скачкообразного движения, возникающие, когда периметры упругих тел соприкасаются друг с другом.
Эти скачкообразные нестабильности рассеивают энергию и приводят к гистерезису, и Пастевка говорит, что его группа теории и моделирования во Фрайбурге предположила, что они также могут играть роль в адгезии. «Чтобы подтвердить это, мы попросили наших коллег-экспериментаторов в Акроне проверить их измерения», — говорит он. «Они тоже видели эти прыжки».
Прошлые гипотезы
Ранее ученые предположили, что гистерезис адгезии в мягких твердых телах может быть вызван диссипацией вязкоупругой энергии, то есть энергии, теряемой на тепло, когда материал деформируется во время контакта. Если материал сжимается во время контакта и расширяется во время отпускания, эти потери энергии будут противодействовать движению контактной поверхности, увеличивая силу сцепления во время разделения.
Другое объяснение основано на процессе, называемом контактным старением, который включает в себя образование химических связей на контактной поверхности. Согласно этой гипотезе, чем дольше существует контакт, тем больше будет адгезия.
Хотя оба объяснения кажутся физически правдоподобными, «наше моделирование показывает, что наблюдаемый гистерезис можно объяснить без этих конкретных механизмов диссипации энергии», — говорит Антуан Саннер, постдокторант из Фрайбурга, который выполнил большую часть теоретической работы в рамках исследования. «Единственным источником рассеяния энергии в нашей численной модели является внезапное скачкообразное движение края контакта, вызванное шероховатостью поверхности».
Упрощение конструкции клеев
Поскольку системы материалов, предназначенные для того, чтобы быть липкими, часто также проектируются как вязкоупругие, Пастевка говорит, что новая работа может упростить разработку (обратимых) клеев. Такие клеи могут быть использованы при передвижении мягких роботов, где необходимо контролировать несущую способность контактирующих конечностей роботов. Еще одним применением могут стать системы захвата и размещения на производственных предприятиях, которые все больше полагаются на мягкую робототехнику.
Пузыри делают бинты более липкими
На процессы, описанные в этом исследовании, также влияют межфазные водные мостики, и исследователи говорят, что сейчас изучают влияние воды на адгезию – особенно в форме капиллярных спаек. «Поскольку вода повсюду, я считаю, что большинство клеевых соединений, по крайней мере, в определенной степени, создаются с помощью воды», — говорит Пастевка. «Поэтому мы сможем построить аналогичные (и даже более простые) модели капилляров на границах раздела».
Все это является несколько неожиданным результатом для исследовательского проекта, который, по словам Пастевки, изначально был сосредоточен на трибоэлектричестве — явлении, при котором поверхности, соприкасающиеся друг с другом, заряжаются. Этот эффект можно использовать для сбора энергии, а также он связан с процессами, которые заряжают облака во время гроз и производят молнии. «Предыдущие исследования показали, что заряд возникает в определенных шаблонах интерфейсов, и мы подумали, что это может быть связано с тем, как интерфейсы отсоединяются», — говорит Пастевка. Мир физики. «Вот почему мы решили изучить детали процессов отделения и обнаружили скачкообразную неустойчивость».
Работа подробно описана в Наука развивается.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
