Investigadores de Alemania y Estados Unidos han encontrado una nueva explicación de por qué los sólidos blandos se adhieren fácilmente a las superficies pero son difíciles de eliminar. Aunque los expertos habían planteado durante mucho tiempo la hipótesis de que varios procesos químicos y propiedades específicas de los materiales podrían desempeñar un papel en esta llamada histéresis adhesiva, un equipo de las universidades de Friburgo, Pittsburgh y Akron ha demostrado que la rugosidad de la superficie por sí sola es suficiente para explicarla. . Según el equipo, este hallazgo podría cambiar fundamentalmente nuestra forma de pensar sobre la adherencia de los materiales blandos.
Si alguna vez le ha resultado fácil pegar un objeto a algo, pero casi imposible sacarlo una vez pegado, habrá observado la histéresis adhesiva en acción. "Cualquier material blando mostrará esta histéresis al hacer contacto", explica el colíder del equipo Lars Pastewka, físico de la departamento de ingeniería de microsistemas en Friburgo. "La cinta adhesiva y las notas adhesivas se adhieren fácilmente pero son difíciles de desprender".
En 1966, los científicos que buscaban explicar este comportamiento desarrollaron una regla general llamada criterio de Dahlquist. Este criterio establece que si un material es muy blando (lo que, según Pastewka, a veces se traduce como que requiere un módulo de Young de menos de 0.1 MPa), se “unirá” cuando se lo empuje para que entre en contacto y mantendrá este “unión” cuando se suelte.
En el nuevo estudio, Pastewka dice: "Mostramos que no existe un 'vínculo' real, pero que la rugosidad fija la línea de contacto, lo que produce una explicación física para el criterio de Dahlquist".
Las inestabilidades tipo “stick-slip” disipan energía
Para llegar a esta conclusión, Pastewka y sus colegas de Friburgo y el livClúster de Excelencia MatS Desarrolló modelos que entrelazan diferentes aspectos de la ingeniería y la física. Estas líneas incluyen la mecánica estándar de contacto y fractura, así como investigaciones más abstractas sobre líneas elásticas en medios aleatorios (un tema que pertenece a la rama de la física que se ocupa de sistemas complejos). Los resultados de estos modelos mostraron "saltos" discretos conocidos como inestabilidades de deslizamiento que ocurren cuando los perímetros de los cuerpos elásticos entran en contacto entre sí.
Estas inestabilidades stick-slip disipan energía y conducen a histéresis, y Pastewka dice que su grupo de teoría y modelado en Friburgo planteó la hipótesis de que también podrían desempeñar un papel en la adhesión. "Para confirmar esto, pedimos a nuestros colegas experimentales de Akron que verificaran sus mediciones", dice. "También vieron estos saltos".
Hipótesis pasadas
Los científicos habían sugerido previamente que la histéresis de adhesión en sólidos blandos podría ser causada por la disipación de energía viscoelástica, es decir, la energía perdida en calor cuando un material se deforma durante el contacto. Si un material se comprime durante el contacto y se expande durante la liberación, estas pérdidas de energía contrarrestarían el movimiento de la superficie de contacto, aumentando la fuerza adhesiva durante la separación.
Otra explicación se centró en un proceso llamado envejecimiento del contacto, que implica la formación de enlaces químicos en la superficie del contacto. Según esta hipótesis, cuanto más tiempo exista el contacto, mayor será la adhesión.
Aunque ambas explicaciones parecen físicamente plausibles, "Nuestras simulaciones muestran que la histéresis observada puede explicarse sin estos mecanismos específicos de disipación de energía", afirma Antonio Sanner, investigador postdoctoral en Friburgo que realizó la mayor parte del trabajo teórico del estudio. "La única fuente de disipación de energía en nuestro modelo numérico es el movimiento brusco del borde del contacto, que es inducido por la rugosidad de la superficie".
Simplificando el diseño de adhesivos
Debido a que los sistemas de materiales diseñados para ser pegajosos a menudo también están diseñados para ser viscoelásticos, Pastewka dice que el nuevo trabajo puede simplificar el diseño de adhesivos (reversibles). Estos adhesivos podrían emplearse en la locomoción de robots blandos, donde existe la necesidad de controlar la capacidad de carga de las extremidades en contacto de los robots. Otra aplicación podrían ser los sistemas de recogida y colocación para plantas de fabricación, que dependen cada vez más de la robótica blanda.
Las burbujas hacen que los vendajes sean más pegajosos
Los procesos descritos en este estudio también se ven afectados por los puentes de agua interfaciales, y los investigadores dicen que ahora están explorando la influencia del agua en la adhesión, particularmente en forma de adherencias capilares. "Dado que el agua es omnipresente, creo que la mayoría de las uniones adhesivas están mediadas, al menos hasta cierto punto, por agua", dice Pastewka. "Por lo tanto, podremos construir modelos similares (e incluso más simples) para capilares en las interfaces".
Todo esto es un resultado algo sorprendente para un proyecto de investigación que, según Pastewka, originalmente se centraba en la triboelectricidad, el fenómeno por el cual las superficies en contacto entre sí se cargan. Este efecto puede aprovecharse para recolectar energía y también está relacionado con los procesos que cargan las nubes durante las tormentas y producen relámpagos. "Investigaciones anteriores han demostrado que la carga se produce en patrones específicos en las interfaces y pensamos que esto podría estar relacionado con la forma en que las interfaces se separan", dice Pastewka. Mundo de la física. "Por eso decidimos examinar los detalles de los procesos de desprendimiento y encontramos las inestabilidades stick-slip".
El trabajo se detalla en Science Advances.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/sticky-materials-un-stick-themselves-in-jumps/
