Ny forskning finder manglende forbindelse mellem blød overfladeadhæsion og overfladeruhed

Dæk griber vejen. Skridsikre sko forhindrer fald. En hånd, der tager en pen. En gekko, der klatrer på en væg.

Alle disse ting afhænger af, at en blød overflade klæber til og frigøres fra en hård overflade, en fælles, men ufuldstændigt forstået interaktion. Ny forskning offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ) finder den manglende forbindelse mellem blød overfladeadhæsion og ruheden af ​​den hårde overflade, den berører. Papiret, "Kæder energitab i blød vedhæftning til overfladeruhed, "(DOI:10.1073/pnas.1913126116) blev offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences og blev medforfatter af Siddhesh Dalvi, Abhijeet Gujrati, Subarna R. Khanal, Lars Pastewka, Ali Dhinojwala, og Tevis D.B. Jacobs.

Dr. Jacobs, adjunkt i maskinteknik og materialevidenskab ved University of Pittsburghs Swanson School of Engineering, og Dr. Dhinojwala, midlertidig dekan og H.A. Morton Professor i Polymer Science ved University of Akrons College of Polymer Science and Polymer Engineering, har brugt in situ mikroskopiske målinger af kontaktstørrelse for at låse op for den grundlæggende fysik for, hvordan ruhed påvirker vedhæftning af blødt materiale.

"En gekko, der løber op ad en lodret væg, er et glimrende eksempel på, hvordan naturen har udviklet en løsning til at holde sig til ru overflader, "siger Dhinojwala." Nøglen til at opnå denne vedhæftning på ru overflade er molekylær kontakt. Blødt materiale kan passe til ru overflader og skabe den molekylære kontakt, der er nødvendig for at klæbe godt. Vi har brug for en grundlæggende forståelse af de parametre, der styrer vedhæftning til ru overflader og den underliggende fysik. "

Der er to forskellige dele af processen:Hvad sker der, når du indlæser kontakten, og hvad der sker, når du adskiller den.

Tidligere teorier har foreslået, hvordan ruhed påvirker den første halvdel af processen, men giver ingen indsigt i anden halvleg. Dette problem kaldes "vedhæftningshysterese, "hvilket betyder, at den bløde overfladekontakt opfører sig anderledes, når den møder den ru overflade frem for når den trækkes væk. En måde at tænke på vedhæftningshysterese er at tænke på en lille gummikugle. At trykke bolden ned mod en hård overflade udvider kontaktområdet; Hvis du slipper, får området til at skrumpe igen, men ikke i en forudsigelig, symmetrisk måde. Denne opdagelse markerer den første model af grov vedhæftning, der kan forudsige begge dele.

Nøglen til denne grundlæggende opdagelse er et nærmere kig på selve den ru overflade - meget, meget tæt på.

"Folk har målt grovhed i hundrede år, men konventionelle teknikker kan ikke se de små detaljer, "siger Jacobs." Vi zoomet ind, kombinerer flere teknikker, at måle ruhed oven på ruhed oven på ruhed. Tekstur går ned til atomskalaen for mange overflader. "

Gruppen udviklede en ny tilgang ved hjælp af et elektronmikroskop til at måle ruhed ned til under et nanometers skala. En af overfladerne i denne undersøgelse virkede langt glattere end to andre, når den blev målt ved hjælp af konventionelle teknikker; imidlertid, målt til atomskala, det viste sig at være det hårdeste af alt. Denne grovhed i mindre skala skabte meget mere overfladeareal for det bløde materiale at gribe fat i. Den detaljerede forståelse af den ru overflade var det manglende led, der forklarede den forudsagte overflades adhæsionsadfærd.

"Vores forskning besvarede et vigtigt spørgsmål, men i en anden forstand, det åbnede en ny undersøgelseslinje, "siger Jacobs." Der er mange interessante spørgsmål om, hvad det egentlig betyder for overflader at være 'i kontakt', og hvordan man forbinder det, der sker i atomskalaen, med det, vi observerer i fuld størrelse, virkelige kontakter. Og vi er glade for at fortsætte med at besvare dem. "