Utilizzando un dispositivo abbastanza piccolo da adattarsi alla testa di uno spillo, i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno acquisito nuove conoscenze sulle proprietà delle fibre polimeriche su scala nanometrica, conoscenze che possono informare la progettazione e la fabbricazione di prodotti costituiti da reti casuali di filamenti, come filtri robusti progettati per impedire alle particelle estranee di entrare nei nostri polmoni.

"Reti di filamenti interconnessi sono ovunque nei sistemi biologici e bioingegnerizzati, come i tessuti connettivi, ragnatele, e scaffold per la crescita dei tessuti, così come i prodotti di consumo, come filtri dell'aria, " disse Debashish Das, uno studioso post-dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale presso l'U of I. "Questa ricerca fornisce approfondimenti sperimentali diretti sul modo in cui l'adesione e l'attrito sono accoppiati su scala nanometrica. Le fibre su scala nanometrica di materiali simili aderiscono fortemente l'una all'altra, il che rende difficile la separazione . E, anche se sono forzatamente separati, si riattaccano spontaneamente. Ottenere approfondimenti sperimentali su questi fenomeni può avere implicazioni dirette sulla progettazione di forti, resiliente, e robuste reti di morbide nanofibre."

Das ha spiegato mentre esaminiamo fibre e altre superfici su micro e nanoscala, il paesaggio cambia. "Man mano che andiamo sempre più piccoli dalla scala delle macro lunghezze, che sono visibili ad occhio nudo, alle scale di lunghezza micro e nanometriche, la superficie di particelle e fibre diminuisce più lentamente rispetto al volume e tutto diventa più appiccicoso."

In una rete di nanofibre incrociate con milioni di giunzioni, Das ha condotto esperimenti per scoprire cosa succede in corrispondenza di una delle giunzioni sovrapposte e per misurare la forza necessaria per tirare o far scorrere due fibre. Il diametro di una sola delle sue nanofibre è più di cento volte più piccolo di un capello umano.

"Per capire cosa succede in rete alla macroscala, che è potenzialmente composto da miliardi di nanofibre, prima dobbiamo capire i fenomeni meccanici alla giunzione dove due nanofibre si incrociano, " Egli ha detto.

Sperimentare con fibre su nanoscala richiede dispositivi specializzati di microdimensioni. Das progettava e fabbricava minuscole macchine:sistemi microelettromeccanici, o MEMS, di dimensioni inferiori a un millimetro.

"In uno studio precedente, abbiamo usato un dispositivo MEMS per allungare una singola fibra di collagene, " ha detto. "In questo studio, abbiamo accoppiato due dispositivi MEMS orientati ortogonalmente per unire due fibre e poi separarle per scorrimento. In questo modo siamo stati in grado di misurare contemporaneamente la forza dovuta all'adesione e all'attrito. Questa è stata la prima volta che sono state rese possibili misurazioni così complete per le fibre su scala nanometrica.

"Dalle nostre misurazioni sperimentali, abbiamo calcolato la dimensione dell'area di contatto che si forma tra le due superfici di nanofibre in corrispondenza della loro giunzione. Quando abbiamo applicato una forza di scorrimento, il contatto ha iniziato a staccarsi fino a quando la forza di scorrimento è diminuita improvvisamente e si è verificata un'instabilità, il che mostra quanto possano essere forti le proprietà adesive su scala nanometrica".

Das ha detto, "Una scoperta chiave dei nostri esperimenti è stata che la forza di scorrimento critica divisa per l'area di contatto era uguale allo sforzo di snervamento di taglio del polimero. Quando tiriamo o allunghiamo un polimero, ad un particolare stress, inizierà a deformarsi plasticamente e non tornerà alla sua configurazione iniziale. La sollecitazione alla quale si instaura la deformazione plastica è nota come sollecitazione di snervamento del polimero".

Secondo Das, questo è il primo studio ad identificare cosa sta succedendo durante lo scorrimento delle nanofibre polimeriche.

"Abbiamo testato fibre con diametri diversi. Ogni volta, abbiamo scoperto che l'instabilità di scorrimento si è verificata a un particolare valore dello sforzo di taglio - la forza tangenziale divisa per la dimensione del contatto - che è uguale alla resistenza al taglio del polimero. Questo era qualcosa che non sapevamo prima, sebbene tale risposta fosse stata segnalata in precedenza per i metalli".

Lo studio, "Scorrimento di contatti polimerici adesivi su scala nanometrica, " è stato scritto da Debashish Das e Ioannis Chasiotis. È pubblicato nel Journal of the Mechanics and Physics.