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新研究发现软表面附着力和表面粗糙度之间缺少联系

轮胎紧紧抓住路。防滑鞋防止跌倒。捡笔的手。壁虎爬墙。

所有这些都取决于粘附在硬表面上并从硬表面释放的软表面,这是一种常见但尚未完全理解的相互作用。发表在最新研究的美国国家科学院学报(PNAS)发现软面之间的缺失环节附着力和粗糙的硬表面倒是的。论文“将软粘附中的能量损失与表面粗糙度联系起来”(DOI:10.1073 / pnas.1913126116)发表在《美国国家科学院院刊》上,由Siddhesh Dalvi,Abhijeet Gujrati,Subarna R.Khanal,Lars合着Pastewka,Ali Dhinojwala和Tevis DB Jacobs。

新研究发现软表面附着力和表面粗糙度之间缺少联系

匹兹堡大学斯旺森工程学院机械工程和材料科学助理教授雅各布斯博士以及阿克伦大学高分子科学和高分子工程学院高分子系临时院长兼HA Morton教授Dhinojwala博士用于接触尺寸的原位显微镜测量,以揭示粗糙度如何影响软材料粘附力的基本物理原理。

Dhinojwala说:“壁虎在垂直的墙壁上奔跑是一个很好的例子,说明自然界已经开发出一种解决方案以粘附在粗糙的表面上。” “在粗糙表面上实现这种粘附的关键是分子接触。软材料可以顺应粗糙表面,并产生良好粘附所需的分子接触。我们需要对控制对粗糙表面的粘附力的参数和基本物理原理有基本的了解。 ”

该过程分为两个不同的部分:加载联系人时发生的事情以及分离联系人时发生的事情。

先前的理论提出了粗糙度如何影响过程的前半部分,但没有提供对后半部分的深入了解。这个问题称为“粘合滞后”,这意味着柔软的表面接触在遇到粗糙表面时表现出不同的行为,而不是被拉开时。考虑粘附滞后的一种方法是考虑一个小的橡胶球。将球向下压在坚硬的表面上可扩大接触面积;放手会使该区域再次缩小,但不会以可预测的对称方式缩小。这一发现标志着可以预测两者的第一个粗糙粘附模型。

这一基础发现的关键是仔细观察粗糙表面本身-非常非常接近。

雅各布斯说:“人们测量粗糙度已有一百年了,但是传统技术看不到细微的细节。” “我们结合多种技术进行了放大,以在粗糙度之上测量粗糙度。在许多表面,纹理下降到原子尺度。”

该小组开发了一种使用电子显微镜来测量粗糙度至纳米以下的新方法。使用常规技术进行测量时,本研究中的一个表面看上去比其他两个表面光滑得多。但是,当测量到原子级时,它是最粗糙的。这种小规模的粗糙度为柔软的材料创造了更大的表面积。对粗糙表面的详细了解是缺少的链接,这些链接解释了预测的表面的粘附行为。

雅各布斯说:“我们的研究回答了一个重要的问题,但换句话说,它开辟了一条新的研究领域。” “关于表面“接触”到底意味着什么,以及如何将原子尺度上发生的事情与我们在实际的全尺寸接触中观察到的联系起来,存在很多有趣的问题。很高兴继续回答他们。”

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