Forskare i Tyskland och USA har hittat en ny förklaring till varför mjuka fasta ämnen lätt fastnar på ytor men är svåra att ta bort. Även om experter länge hade antagit att olika kemiska processer och materialspecifika egenskaper skulle kunna spela en roll i denna så kallade adhesiva hysteres, har ett team vid universiteten i Freiburg, Pittsburgh och Akron nu visat att ytjämnhet ensam är tillräckligt för att förklara det. . Enligt teamet kan detta fynd i grunden förändra vårt sätt att tänka på mjuka materials klibbighet.
Om du någonsin har tyckt att det är lätt att fästa ett föremål på något, men nästan omöjligt att få bort det när det väl har fastnat, har du observerat adhesiv hysteres i aktion. "Alla mjuka material kommer att visa denna hysteres när de tar kontakt", förklarar teamets medledare Lars Pastewka, en fysiker i Institutionen för mikrosystemteknik i Freiburg. "Scotch-tejp och klisterlappar fäster lätt men är svåra att ta bort."
År 1966 utvecklade forskare som försökte förklara detta beteende en tumregel som kallas Dahlquist-kriteriet. Detta kriterium säger att om ett material är mycket mjukt – vilket Pastewka säger ibland översätts till att kräva en Youngs modul på mindre än 0.1 MPa – kommer det att "binda" när det trycks i kontakt, och det kommer att bibehålla denna "bindning" när det släpps.
I den nya studien säger Pastewka: "Vi visar att det inte finns någon verklig "bindning", men att grovheten fäster kontaktlinjen, vilket ger en fysisk förklaring till Dahlquist-kriteriet."
"Stick-slip" instabiliteter skingra energi
För att nå denna slutsats, Pastewka och kollegor vid Freiburg och LivMatS Cluster of Excellence utvecklat modeller som väver samman olika delar av teknik och fysik. Dessa strängar inkluderar standardkontakt- och brottmekanik samt mer abstrakt forskning om elastiska linjer i slumpmässiga medier (ett ämne som ligger inom den gren av fysiken som handlar om komplexa system). Resultaten av dessa modeller visade diskreta "hopp" kända som stick-slip-instabiliteter som uppstår när omkretsen av elastiska kroppar kommer i kontakt med varandra.
Dessa stick-slip-instabiliteter skingra energi och leder till hysteres, och Pastewka säger att hans teori- och modelleringsgrupp i Freiburg antog att de också kunde spela en roll i adhesion. "För att bekräfta detta bad vi våra experimentkollegor på Akron att kontrollera deras mått", säger han. "De såg också dessa hopp."
Tidigare hypoteser
Forskare hade tidigare föreslagit att adhesionshysteres i mjuka fasta ämnen kan orsakas av förlusten av viskoelastisk energi - det vill säga energi som går förlorad till värme när ett material deformeras under kontakt. Om ett material komprimeras under kontakt och expanderar under frigöring, skulle dessa energiförluster motverka rörelsen av kontaktytan, vilket ökar vidhäftningskraften under separation.
En annan förklaring kretsade kring en process som kallas kontaktåldring, som involverar bildandet av kemiska bindningar på kontaktytan. Enligt denna hypotes, ju längre kontakten existerar, desto större blir vidhäftningen.
Även om båda förklaringarna låter fysiskt rimliga, "Våra simuleringar visar att den observerade hysteresen kan förklaras utan dessa specifika energiavledningsmekanismer", säger Antoine Sanner, en postdoktor vid Freiburg som gjorde huvuddelen av studiens teoretiska arbete. "Den enda källan till energiförlust i vår numeriska modell är den plötsliga hopprörelsen av kontaktkanten, som induceras av ytans grovhet."
Förenkla designen av lim
Eftersom materialsystem som är designade för att vara klibbiga ofta också är utformade för att vara viskoelastiska, säger Pastewka att det nya arbetet kan förenkla designen av (reversibla) lim. Sådana lim kan användas vid förflyttning av mjuka robotar, där det finns ett behov av att kontrollera den lastbärande förmågan hos robotarnas kontaktande lemmar. En annan tillämpning kan vara pick-and-place-system för tillverkningsanläggningar, som i allt högre grad förlitar sig på mjuk robotik.
Bubblor gör bandaget klibbigare
De processer som beskrivs i den här studien påverkas också av gränssnittsvattenbryggor, och forskarna säger att de nu undersöker vattnets inverkan på vidhäftningen – särskilt i form av kapillärvidhäftningar. "Eftersom vatten är allestädes närvarande tror jag att de flesta limfogar åtminstone till viss del förmedlas av vatten," säger Pastewka. "Vi kanske därför kan konstruera liknande (och ännu enklare) modeller för kapillärer vid gränssnitt."
Allt detta är ett något överraskande resultat för ett forskningsprojekt som, enligt Pastewka, ursprungligen fokuserade på triboelektricitet – fenomenet där ytor i kontakt med varandra laddas. Denna effekt kan utnyttjas för energiskörd, och den är också relaterad till de processer som laddar upp moln under åskväder och producerar blixtar. "Tidigare forskning har visat att laddning förekommer i specifika mönster på gränssnitt, och vi trodde att det därför kan vara relaterat till hur gränssnitt lossnar", säger Pastewka Fysikvärlden. "Det är därför vi bestämde oss för att undersöka detaljerna i frigörelseprocesserna och hittade stick-slip-instabiliteterna."
Arbetet är detaljerat i Vetenskap Förskott.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
