Клейкую ленту или стикеры для заметок легко прикрепить к поверхности, но их сложно удалить. Это явление, известное как гистерезис адгезии, можно наблюдать в мягких, эластичных материалах: клеевой контакт образуется легче, чем разрывается.
Исследователи из Университета Фрайбурга, Университета Питтсбурга и Университета Акрона обнаружили, что этот адгезионный гистерезис вызван шероховатостью поверхности прилипающих мягких материалов. С помощью сочетания экспериментальных наблюдений и моделирования команда продемонстрировала, что шероховатость мешает процессу разделения, заставляя материалы отделяться мелкими резкими движениями, которые постепенно высвобождают части клеевого соединения.
Д-р Антуан Саннер и профессор д-р Ларс Пастевка из факультета микросистемной инженерии и кластера передового опыта livMatS Фрайбургского университета, д-р Нитьяншу Кумар и профессор д-р Али Дхинойвала из Университета Акрона и профессор д-р. Тевис Джейкобс из Питтсбургского университета опубликовал свои результаты в журнале Science Advances .
«Наши результаты позволят целенаправленно контролировать адгезионные свойства мягких материалов за счет шероховатости поверхности», — говорит Саннер. «Они также позволят в будущем разрабатывать новые и улучшенные приложения в мягкой робототехнике или производственных технологиях , например, для захватов или систем размещения».
Внезапное скачкообразное движение края контакта
До сих пор исследователи предполагали, что вязкоупругая диссипация энергии вызывает гистерезис адгезии в мягких твердых телах. Другими словами, энергия теряется на тепло в материале, поскольку он деформируется в цикле контакта: он сжимается при контакте и расширяется при освобождении. Эти потери энергии противодействуют движению контактной поверхности, что увеличивает силу сцепления во время разделения.
В качестве причины также было предложено контактное старение, т. е. образование химических связей на контактной поверхности. Здесь чем дольше существует контакт, тем больше адгезия. «Наше моделирование показывает, что наблюдаемый гистерезис можно объяснить без этих конкретных механизмов рассеяния энергии. Единственным источником рассеяния энергии в нашей численной модели является внезапное скачкообразное движение края контакта, вызванное неровностями», — говорит Саннер.
Гистерезис адгезии рассчитан для реалистичной шероховатости поверхности.
Это внезапное скачкообразное движение ясно распознается в моделировании исследователей из Фрайбурга и в экспериментах по адгезии в Университете Акрона. « Резкое изменение контактной поверхности уже упоминалось в 1990-х годах как возможная причина адгезионного гистерезиса, но предыдущие теоретические работы по этому вопросу ограничивались упрощением свойств поверхности», — объясняет Кумар.
«Нам впервые удалось рассчитать гистерезис адгезии для реалистичной шероховатости поверхности. Это основано на эффективности численной модели и чрезвычайно подробной характеристике поверхности, проведенной исследователями из Питтсбургского университета», — говорит Джейкобс.
