Cómo influye la rugosidad superficial en la adherencia de materiales blandos
Un equipo de investigadores descubre un mecanismo universal que provoca histéresis de adherencia en materiales blandos
La cinta adhesiva o las notas adhesivas se pegan fácilmente a una superficie, pero son difíciles de despegar. Este fenómeno, conocido como histéresis de adhesión, se observa fundamentalmente en materiales blandos y elásticos: El contacto adhesivo se forma más fácilmente de lo que se rompe. Investigadores de la Universidad de Friburgo, la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Akron (EE.UU.) han descubierto ahora que esta histéresis de adhesión está causada por la rugosidad de la superficie de los materiales blandos adheridos. Mediante una combinación de observaciones experimentales y simulaciones, el equipo demostró que la rugosidad interfiere en el proceso de separación, haciendo que los materiales se desprendan en movimientos diminutos y bruscos, que liberan partes de la unión adhesiva de forma incremental. El Dr. Antoine Sanner y el Prof. Dr. Lars Pastewka, del Departamento de Ingeniería de Microsistemas y del Clúster de Excelencia livMatSde la Universidad de Friburgo, el Dr. Nityanshu Kumar y el Prof. Dr. Ali Dhinojwala, de la Universidad de Akron, y el Prof. Dr. Tevis Jacobs, de la Universidad de Pittsburgh, han publicado sus resultados en la revista Science Advances.
La simulación muestra el área de contacto de un sólido blando que se separa de una superficie rugosa. Cada punto coloreado corresponde a una inestabilidad del contacto. La diferente intensidad del color muestra cuánta energía se pierde en el proceso.
Antoine Sanner, Lars Pastewka
"Nuestros hallazgos permitirán controlar específicamente las propiedades de adhesión de los materiales blandos mediante la rugosidad de la superficie", afirma Sanner. "También permitirán desarrollar en el futuro aplicaciones nuevas y mejoradas en robótica blanda o tecnología de producción, por ejemplo para pinzas o sistemas de colocación".
Movimiento de salto repentino del borde del contacto
Hasta ahora, los investigadores tenían la hipótesis de que la disipación de energía viscoelástica provoca histéresis de adherencia en los sólidos blandos. En otras palabras, la energía se pierde en forma de calor en el material porque se deforma en el ciclo de contacto: Se comprime al hacer contacto y se expande al soltarse. Esas pérdidas de energía contrarrestan el movimiento de la superficie de contacto, lo que aumenta la fuerza adhesiva durante la separación. También se ha sugerido como causa el envejecimiento del contacto, es decir, la formación de enlaces químicos en la superficie de contacto. En este caso, cuanto más tiempo dure el contacto, mayor será la adhesión. "Nuestras simulaciones muestran que la histéresis observada puede explicarse sin estos mecanismos específicos de disipación de energía. La única fuente de disipación de energía en nuestro modelo numérico es el repentino movimiento de salto del borde del contacto, inducido por la rugosidad", afirma Sanner.
Histéresis de adherencia calculada para una rugosidad superficial realista
Este repentino movimiento de salto es claramente reconocible en las simulaciones de los investigadores de Friburgo y en los experimentos de adhesión de la Universidad de Akron. "El cambio brusco de la superficie de contacto ya se mencionó en los años 90 como posible causa de la histéresis de adherencia, pero los trabajos teóricos anteriores al respecto se limitaban a propiedades superficiales simplificadas", explica Kumar. "Por primera vez hemos conseguido calcular la histéresis de adherencia para una rugosidad superficial realista. Esto se basa en la eficacia del modelo numérico y en una caracterización extremadamente detallada de la superficie llevada a cabo por investigadores de la Universidad de Pittsburgh", afirma Jacobs.
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