Banden grip op de weg. Antislipschoenen die vallen voorkomen. Een hand die een pen oppakt. Een gekko die een muur beklimt.

Al deze dingen zijn afhankelijk van een zacht oppervlak dat hecht aan en loslaat van een hard oppervlak, een veel voorkomende maar onvolledig begrepen interactie. Nieuw onderzoek gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) vindt de ontbrekende schakel tussen de hechting van een zacht oppervlak en de ruwheid van het harde oppervlak dat het aanraakt. De krant, "Het koppelen van energieverlies in zachte hechting aan oppervlakteruwheid, " (DOI:10.1073/pnas.1913126116) werd gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences en was co-auteur van Siddhesh Dalvi, Abhijeet Gujrati, Subarna R. Khanal, Lars Pastewka, Ali Dhinojwala, en Tevis DB Jacobs.

Dr. Jacobs, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Swanson School of Engineering van de University of Pittsburgh, en Dr. Dhinojwala, interim-decaan en H.A. Morton Professor of Polymer Science aan de University of Akron's College of Polymer Science and Polymer Engineering, hebben in situ microscopische metingen van contactgrootte gebruikt om de fundamentele fysica te ontrafelen van hoe ruwheid de hechting van zacht materiaal beïnvloedt.

"Een gekko die tegen een verticale muur op rent, is een uitstekend voorbeeld van hoe de natuur een oplossing heeft ontwikkeld om zich aan ruwe oppervlakken te hechten, " zegt Dhinojwala. "De sleutel om deze hechting op een ruw oppervlak te bereiken, is moleculair contact. Zacht materiaal kan zich aanpassen aan ruwe oppervlakken en het moleculaire contact creëren dat nodig is om goed te hechten. We hebben een fundamenteel begrip nodig van de parameters die de hechting aan ruwe oppervlakken en de onderliggende fysica regelen."

Er zijn twee verschillende delen van het proces:wat gebeurt er wanneer u het contact laadt en wat er gebeurt wanneer u het scheidt.

Eerdere theorieën hebben voorgesteld hoe ruwheid de eerste helft van het proces beïnvloedt, maar bieden geen inzicht in de tweede helft. Dit probleem wordt "adhesiehysterese" genoemd, " wat betekent dat het zachte oppervlakcontact zich anders gedraagt ​​als het het ruwe oppervlak ontmoet in plaats van wanneer het wordt weggetrokken. Een manier om na te denken over adhesiehysterese is te denken aan een kleine rubberen bal. Door de bal tegen een hard oppervlak aan te drukken, wordt het contactgebied vergroot; loslaten zal het gebied weer doen krimpen, maar niet in een voorspelbare, symmetrische manier. Deze ontdekking markeert het eerste model van ruwe hechting dat beide kan voorspellen.

De sleutel tot deze fundamentele ontdekking is een nauwkeurige blik op het ruwe oppervlak zelf - zeer, heel dichtbij.

"Mensen meten al honderd jaar ruwheid, maar conventionele technieken kunnen de kleine details niet zien, " zegt Jacobs. "We zoomden in, meerdere technieken combineren, om ruwheid op ruwheid op ruwheid te meten. De textuur gaat voor veel oppervlakken naar de atomaire schaal."

De groep ontwikkelde een nieuwe aanpak om met een elektronenmicroscoop ruwheid te meten tot onder de schaal van een nanometer. Een van de oppervlakken in dit onderzoek leek veel gladder dan twee andere, gemeten met conventionele technieken; echter, gemeten tot op atomaire schaal, het bleek de ruigste van allemaal te zijn. Deze kleinschalige ruwheid creëerde veel meer oppervlakte voor het zachte materiaal om vast te houden. Het gedetailleerde begrip van het ruwe oppervlak was de ontbrekende schakel die het voorspelde hechtingsgedrag van de oppervlakken verklaarde.

"Ons onderzoek beantwoordde een belangrijke vraag, maar in een andere zin, het opende een nieuwe onderzoekslijn, ", zegt Jacobs. "Er zijn veel interessante vragen over wat het echt betekent voor oppervlakken om 'in contact' te zijn en hoe we kunnen koppelen wat er op atomaire schaal gebeurt met wat we op ware grootte waarnemen, contacten uit de echte wereld. En we zijn verheugd om ze te blijven beantwoorden."