Måling af vedhæftning og friktion af polymer nanofibre

Ved at bruge en enhed, der er lille nok til at passe på hovedet af en stift, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign fik ny viden om egenskaberne af polymerfibre på nanoskala - viden, der kan informere design og fremstilling af produkter, der består af tilfældige netværk af filamenter, såsom robuste filtre designet til at blokere fremmede partikler i at trænge ind i vores lunger.

"Netværk af indbyrdes forbundne filamenter er overalt i biologiske og bioteknologiske systemer, såsom bindevæv, edderkoppespind, og stilladser til vævsvækst, samt forbrugerprodukter, såsom luftfiltre, " sagde Debashish Das, en postdoktor ved Institut for Luftfartsteknologi ved U of I. "Denne forskning giver direkte eksperimentel indsigt i den måde, adhæsion og friktion er koblet på på nanometerlængdeskalaen. Nanoskalafibre af lignende materialer klæber stærkt til hinanden, hvilket gør adskillelse vanskelig Og, selvom de er kraftigt adskilt, de hænger spontant sammen igen. At opnå eksperimentel indsigt i disse fænomener kan have direkte konsekvenser for design af stærke, robust, og hårde netværk af bløde nanofibre."

Det forklares, mens vi undersøger fibre og andre overflader på mikro- og nanoskala, landskabet ændrer sig. "Når vi går mindre og mindre fra makrolængdeskalaen, som er synlige med det blotte øje, til mikro- og nanometerlængdeskalaerne, overfladearealet af partikler og fibre falder langsommere sammenlignet med volumen, og alt bliver mere klæbrigt."

I et netværk af krydsende nanofibre med millioner af kryds, Das udførte eksperimenter for at finde ud af, hvad der sker ved et af de overlappende kryds, og for at måle den kraft, der kræves for at trække eller glide to fibre fra hinanden. Diameteren af ​​blot en af ​​hans nanofibre er mere end hundrede gange mindre end et menneskehår.

"For at forstå, hvad der sker i netværket på makroskalaen, som potentielt består af milliarder af nanofibre, først skal vi forstå de mekaniske fænomener i krydset, hvor to nanofibre krydser, " han sagde.

Eksperimenter med fibre i nanoskala kræver specialiserede enheder i mikrostørrelse. Das designet og fremstillet bittesmå maskiner - mikro-elektro-mekaniske systemer, eller MEMS - der er mindre end en millimeter i størrelse.

"I en tidligere undersøgelse, vi brugte en MEMS-enhed til at strække en enkelt kollagenfiber, " sagde han. "I denne undersøgelse, vi koblede to MEMS-enheder orienteret ortogonalt for at skubbe to fibre sammen og adskilte dem derefter ved at glide. Samtidig var vi i stand til at måle kraften på grund af vedhæftning og på grund af friktion. Dette var første gang, at sådanne komplette målinger blev muliggjort for fibre i nanoskala.

"Fra vores eksperimentelle målinger, vi beregnede størrelsen af ​​kontaktområdet, der dannes mellem de to nanofiberoverflader ved deres kryds. Mens vi påførte en glidende kraft, kontakten begyndte at skalle af, indtil glidekraften pludselig faldt, og der opstod en ustabilitet, som viser, hvor stærke klæbeegenskaber kan være på nanoskala."

Das sagde, "Et nøgleresultat fra vores eksperimenter var, at den kritiske glidekraft divideret med kontaktarealet var lig med polymerens forskydningsflydespænding. Når vi trækker eller strækker en polymer, ved en særlig stress, det vil begynde at deformere plastisk og vil ikke gå tilbage til sin oprindelige konfiguration. Spændingen, ved hvilken den plastiske deformation sætter ind, er kendt som polymerens flydespænding."

Ifølge Das, dette er den første undersøgelse, der identificerer, hvad der sker under glidningen af ​​polymer nanofibre.

"Vi testede fibre med forskellige diametre. Hver gang, vi fandt, at glidningsustabiliteten opstod ved en bestemt værdi af forskydningsspændingen - den tangentielle kraft divideret med kontaktstørrelsen - som er lig med polymerens forskydningsstyrke. Det var noget, vi ikke vidste før, selvom et sådant svar var blevet rapporteret før for metaller."

Studiet, "Glidning af klæbende polymerkontakter i nanoskala, " blev skrevet af Debashish Das og Ioannis Chasiotis. Den er offentliggjort i Journal of the Mechanics and Physics.