Met behulp van een apparaat dat klein genoeg is om op de kop van een speld te passen, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben nieuwe kennis opgedaan over de eigenschappen van polymeervezels op nanoschaal - kennis die het ontwerp en de fabricage van producten die bestaan ​​uit willekeurige netwerken van filamenten, kan helpen, zoals robuuste filters die zijn ontworpen om te voorkomen dat vreemde deeltjes onze longen binnendringen.

"Netwerken van onderling verbonden filamenten zijn overal in biologische en biotechnologische systemen, zoals bindweefsel, spinnenweb, en steigers voor weefselgroei, evenals consumentenproducten, zoals luchtfilters, " zei Debashish Das, een postdoctoraal wetenschapper bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de U of I. "Dit onderzoek biedt directe experimentele inzichten in de manier waarop adhesie en wrijving zijn gekoppeld op de nanometerlengteschaal. Nanoschaalvezels van soortgelijke materialen hechten sterk aan elkaar, wat scheiding moeilijk maakt . En, zelfs als ze met geweld worden gescheiden, ze plakken spontaan weer bij elkaar. Het verkrijgen van experimenteel inzicht in deze verschijnselen kan directe implicaties hebben voor het ontwerp van sterke, veerkrachtig, en taaie netwerken van zachte nanovezels."

Das legde uit terwijl we vezels en andere oppervlakken op micro- en nanoschaal onderzoeken, het landschap verandert. "Naarmate we kleiner en kleiner worden van de macrolengteschaal, die met het blote oog zichtbaar zijn, op de lengteschalen van micro- en nanometers, het oppervlak van deeltjes en vezels neemt langzamer af in vergelijking met het volume en alles wordt plakkeriger."

In een netwerk van kriskras door elkaar lopende nanovezels met miljoenen knooppunten, Das voerde experimenten uit om erachter te komen wat er gebeurt op een van de overlappende kruispunten en om de kracht te meten die nodig is om twee vezels uit elkaar te trekken of te schuiven. De diameter van slechts één van zijn nanovezels is meer dan honderd keer kleiner dan een mensenhaar.

"Om te begrijpen wat er op macroschaal in het netwerk gebeurt, die mogelijk bestaat uit miljarden nanovezels, eerst moeten we de mechanische fenomenen begrijpen op de kruising waar twee nanovezels elkaar kruisen, " hij zei.

Experimenteren met vezels op nanoschaal vereist gespecialiseerde apparaten van microformaat. Das ontwierp en fabriceerde kleine machines:micro-elektromechanische systemen, of MEMS - die kleiner zijn dan één millimeter.

"In een eerder onderzoek we gebruikten een MEMS-apparaat om een ​​enkele collageenvezel uit te rekken, " zei hij. "In deze studie, we hebben twee MEMS-apparaten gekoppeld die orthogonaal zijn georiënteerd om twee vezels tegen elkaar te duwen en ze vervolgens te scheiden door te schuiven. Daarbij konden we tegelijkertijd de kracht door adhesie en door wrijving meten. Dit was de eerste keer dat dergelijke volledige metingen mogelijk werden gemaakt voor vezels op nanoschaal.

"Van onze experimentele metingen, we berekenden de grootte van het contactgebied dat wordt gevormd tussen de twee nanovezeloppervlakken op hun kruising. Toen we een glijdende kracht uitoefenden, het contact begon af te pellen totdat de glijkracht plotseling wegviel en er een instabiliteit optrad, wat laat zien hoe sterk hechtende eigenschappen op nanoschaal kunnen zijn."

Das zei, "Een belangrijke bevinding van onze experimenten was dat de kritische schuifkracht gedeeld door het contactoppervlak gelijk was aan de schuifvloeispanning van het polymeer. Als we aan een polymeer trekken of uitrekken, bij een bepaalde spanning, het zal plastisch beginnen te vervormen en zal niet terugkeren naar zijn oorspronkelijke configuratie. De spanning waarbij de plastische vervorming optreedt, staat bekend als de vloeispanning van het polymeer."

Volgens Das, dit is de eerste studie om vast te stellen wat er gebeurt tijdens het glijden van polymeer nanovezels.

"We hebben vezels met verschillende diameters getest. Elke keer we ontdekten dat de glijdende instabiliteit optrad bij een bepaalde waarde van de schuifspanning - de tangentiële kracht gedeeld door de contactgrootte - die gelijk is aan de schuifsterkte van het polymeer. Dit was iets wat we niet eerder wisten, hoewel een dergelijke reactie eerder was gemeld voor metalen."

De studie, "Glijden van zelfklevende polymeercontacten op nanoschaal, " is geschreven door Debashish Das en Ioannis Chasiotis. Het is gepubliceerd in het Journal of the Mechanics and Physics.