Het meten van adhesie en wrijving van polymere nanovezels

Met behulp van een apparaat dat klein genoeg is om op de punt van een speld te passen, hebben onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign nieuwe kennis opgedaan over de eigenschappen van polymeervezels op nanoschaal – kennis die kan dienen voor het ontwerp en de fabricage van producten die bestaan ​​uit willekeurige netwerken van filamenten, 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, spinnenwebben en steigers voor weefselgroei, evenals consumentenproducten, zoals luchtfilters”, zei Debashish Das, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de U van I. “Dit onderzoek geeft directe experimentele inzichten in de manier waarop adhesie en wrijving worden gekoppeld op nanometerschaal. Nanoschaalvezels van soortgelijke materialen hechten sterk aan elkaar, wat scheiding moeilijk maakt. En, zelfs als ze dat zijn Met kracht gescheiden blijven ze spontaan weer bij elkaar. Het verkrijgen van experimentele inzichten in deze fenomenen kan directe implicaties hebben voor het ontwerp van sterke, veerkrachtige 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 macro-lengteschaal, die met het blote oog zichtbaar zijn, tot de micro- en nanometer-lengteschalen, neemt het oppervlak van deeltjes en vezels langzamer af in vergelijking met het volume en wordt alles kleveriger.”

In een netwerk van kriskras doorkruisende nanovezels met miljoenen knooppunten, voerde Das experimenten uit om erachter te komen wat er gebeurt bij een van de overlappende knooppunten 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 gebeurt in het netwerk op macroschaal, dat mogelijk uit miljarden nanovezels bestaat, moeten we eerst de mechanische verschijnselen begrijpen op het kruispunt waar twee nanovezels elkaar kruisen”, zei hij.

Experimenteren met vezels op nanoschaal vereist gespecialiseerde apparaten van micro-formaat. Das ontwierp en vervaardigde kleine machines – micro-elektromechanische systemen of MEMS – die kleiner zijn dan een millimeter.

“In een eerdere studie hebben we een MEMS-apparaat gebruikt om een ​​enkele collageenvezel uit te rekken”, zei hij. “In deze studie hebben we twee MEMS-apparaten gekoppeld die orthogonaal zijn georiënteerd om twee vezels samen te duwen en ze vervolgens te scheiden door ze te schuiven. Terwijl we dit deden, konden we tegelijkertijd de kracht meten door adhesie en door wrijving. Dit was de eerste keer dat zo compleet was. metingen zijn mogelijk gemaakt voor vezels op nanoschaal.

“Op basis van onze experimentele metingen hebben we de grootte berekend van het contactgebied dat wordt gevormd tussen de twee nanovezeloppervlakken bij hun kruising. Terwijl we een glijdende kracht uitoefenden, begon het contact los te laten totdat de glijdende kracht plotseling afnam en er een instabiliteit optrad, wat blijkt uit hoe sterk hechtende eigenschappen kunnen zijn op nanoschaal. “

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

Volgens Das is dit de eerste studie om te identificeren wat er gebeurt tijdens het glijden van polymere nanovezels.

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

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