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La simulación muestra el área de contacto de un sólido blando separado por una superficie rugosa. Cada punto coloreado corresponde a una inestabilidad del contacto. La diferente intensidad del color muestra cuánta energía se pierde. CRÉDITO Antoine Sanner, Lars Pastewka. |
Abstracto:
La cinta adhesiva o las notas adhesivas son fáciles de aplicar a una superficie pero difíciles de quitar. Este fenómeno, conocido como histéresis de adhesión, se puede observar generalmente en materiales blandos y elásticos: los contactos adhesivos se forman más fácilmente de lo que se rompen. Investigadores de la Universidad de Friburgo, la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Akron en EE. UU. han descubierto que esta histéresis de adhesión se debe a la rugosidad de la superficie de los materiales blandos adheridos. A través de una combinación de observaciones experimentales y simulaciones, el equipo demostró que la rugosidad afecta el proceso de separación y hace que los materiales se separen en movimientos pequeños y abruptos, lo que hace que partes de la unión adhesiva se separen gradualmente. Dr. Antoine Sanner y el Prof. Dr. Lars Pastewka del Departamento de Tecnología de Microsistemas y del Grupo de Excelencia livMatS de la Universidad de Friburgo, el Dr. Nityanshu Kumar y el Prof. Dr. Ali Dhinojwala de la Universidad de Akron y el Prof. Dr. Tevis Jacobs de la Universidad de Pittsburgh publicó sus resultados en la reconocida revista Science Advances.
Cómo influye la rugosidad de la superficie en la adhesión de materiales blandos: un equipo de investigación descubre un mecanismo universal que conduce a la histéresis de adhesión en materiales blandos
Friburgo, Alemania | Publicado el 8 de marzo de 2024
«Nuestros hallazgos permitirán controlar específicamente las propiedades de adhesión de materiales blandos a través de la rugosidad de la superficie», afirma Sanner. «En el futuro, también permitirán el desarrollo de aplicaciones nuevas y mejoradas en robótica blanda o tecnología de producción, por ejemplo para pinzas o sistemas de montaje».
Movimiento de salto repentino del borde de contacto.
Hasta la fecha, los investigadores han planteado la hipótesis de que la disipación de energía viscoelástica provoca histéresis de adhesión en sólidos blandos. En otras palabras, la energía se pierde a través del calor en el material porque se deforma en el ciclo de contacto: se comprime al entrar en contacto y se expande al liberarse. Estas pérdidas de energía contrarrestan el movimiento de la superficie de contacto, lo que aumenta la fuerza adhesiva durante la separación. También se sospecha que la causa es el envejecimiento de los contactos, es decir, la formación de enlaces químicos en la superficie de contacto. Cuanto más largo sea el contacto, mayor será la responsabilidad. “Nuestras simulaciones muestran que la histéresis observada puede explicarse sin estos mecanismos específicos de disipación de energía. La única fuente de disipación de energía en nuestro modelo numérico es el movimiento brusco del borde de contacto causado por la rugosidad”, afirma Sanner.
Histéresis de adhesión calculada para una rugosidad superficial realista
Este repentino movimiento de salto puede verse claramente en las simulaciones de los investigadores de Friburgo y en los experimentos de adhesión de la Universidad de Akron. «El cambio brusco en la superficie de contacto ya se mencionó en los años 90 como una posible causa de la histéresis de adhesión, pero los trabajos teóricos anteriores al respecto se limitaban a propiedades superficiales simplificadas», explica Kumar. “Hemos logrado calcular esto por primera vez”. “Histéresis de adherencia para una rugosidad superficial realista. Esto se basa en la eficiencia del modelo numérico y en la caracterización de superficies extremadamente detallada realizada por investigadores de la Universidad de Pittsburgh”, afirma Jacobs.
Sobre el Clúster de Excelencia livMatS
La visión del Grupo de Excelencia de Sistemas de Materiales Vivos, Adaptativos y Autónomos Energéticamente (livMatS) es combinar lo mejor de ambos mundos: naturaleza y tecnología. livMatS desarrolla sistemas de materiales realistas inspirados en la naturaleza. Estos sistemas se adaptan de forma autónoma a su entorno, recolectan energía limpia de su entorno y son impermeables o capaces de recuperarse de los daños.
•Profe. Dr. Lars Pastewka es profesor de Simulación en la Facultad de Ingeniería desde 2017 y miembro del Clúster de Excelencia de Sistemas de Materiales Vivos, Adaptativos y Autónomos Energéticamente (livMatS) de la Universidad de Friburgo.
•DR. Antoine Sanner se doctoró en el Departamento de Tecnología de Microsistemas y en el Cluster de Excelencia livMatS.
•El estudio fue financiado por la Fundación Alemana de Investigación (livMatS – EXC 2193), el Consejo Europeo de Investigación (StG 757343), la Fundación Nacional de Ciencias (DMR-2208464) y el Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo (R21 OH012126).
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Publicación original: Antoine Sanner et al., Sci. Adv.10, eadl1277 (2024). doi: 10.1126/sciadv.adl1277:
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