Pneumatici che attanagliano la strada. Scarpe antiscivolo che prevengono le cadute. Una mano che prende una penna. Un geco che si arrampica su un muro.

Tutte queste cose dipendono da una superficie morbida che aderisce e si stacca da una superficie dura, un'interazione comune ma non del tutto compresa. Nuova ricerca pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) trova l'anello mancante tra l'adesione della superficie morbida e la rugosità della superficie dura che tocca. La carta, "Collegando la perdita di energia nell'adesione morbida alla rugosità della superficie, " (DOI:10.1073/pnas.1913126116) è stato pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ed è stato coautore di Siddhesh Dalvi, Abhijeet Gujrati, Subarna R. Khanal, Lars Pastewka, Ali Dhinojwala, e Tevis D.B. Jacobs.

Dottor Jacobs, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh, e il dottor Dhinojwala, preside ad interim e H.A. Morton Professor of Polymer Science presso il College of Polymer Science and Polymer Engineering dell'Università di Akron, hanno utilizzato misurazioni microscopiche in situ della dimensione del contatto per sbloccare la fisica fondamentale di come la rugosità influisce sull'adesione del materiale morbido.

"Un geco che corre su un muro verticale è un eccellente esempio di come la natura abbia sviluppato una soluzione per aderire alle superfici ruvide, " dice Dhinojwala. "La chiave per ottenere questa adesione su una superficie ruvida è il contatto molecolare. Il materiale morbido può adattarsi a superfici ruvide e creare il contatto molecolare necessario per aderire bene. Abbiamo bisogno di una comprensione fondamentale dei parametri che controllano l'adesione alle superfici ruvide e della fisica sottostante".

Ci sono due diverse parti del processo:cosa succede quando carichi il contatto e cosa succede quando lo separi.

Le teorie precedenti hanno proposto come la rugosità influenzi la prima metà del processo, ma non offrono informazioni sulla seconda metà. Questo problema è chiamato "isteresi di adesione, " significa che il contatto con la superficie morbida si comporta in modo diverso quando incontra la superficie ruvida piuttosto che quando viene tirato via. Un modo per pensare all'isteresi di adesione è pensare a una piccola pallina di gomma. Premendo la pallina contro una superficie dura si espande l'area di contatto; lasciar andare farà rimpicciolire di nuovo l'area, ma non in modo prevedibile, modo simmetrico. Questa scoperta segna il primo modello di adesione approssimativa in grado di prevedere entrambi.

La chiave di questa scoperta fondamentale è uno sguardo ravvicinato alla superficie ruvida stessa, molto, molto vicino.

"Da cento anni si misura la ruvidità, ma le tecniche convenzionali non possono vedere il piccolo dettaglio, "dice Jacobs. "Abbiamo ingrandito, combinando più tecniche, misurare la rugosità su rugosità su rugosità. La trama scende alla scala atomica per molte superfici".

Il gruppo ha sviluppato un nuovo approccio utilizzando un microscopio elettronico per misurare la rugosità fino al di sotto della scala di un nanometro. Una delle superfici in questo studio è apparsa molto più liscia di altre due quando misurata con tecniche convenzionali; però, se misurato su scala atomica, si è rivelato il più duro di tutti. Questa rugosità su piccola scala ha creato molta più superficie per l'aderenza del materiale morbido. La comprensione dettagliata della superficie ruvida era l'anello mancante che spiegava il comportamento di adesione previsto delle superfici.

"La nostra ricerca ha risposto a una domanda importante, ma in un altro senso, ha aperto una nuova linea di indagine, " dice Jacobs. "Ci sono molte domande interessanti su cosa significhi veramente per le superfici essere 'in contatto' e come collegare ciò che sta accadendo su scala atomica a ciò che osserviamo a grandezza naturale, contatti del mondo reale. E siamo entusiasti di continuare a rispondere".