Comment la rugosité de la surface influence l'adhérence des matériaux souples
Une équipe de chercheurs découvre un mécanisme universel à l'origine de l'hystérésis d'adhésion dans les matériaux souples
Les rubans adhésifs ou les notes autocollantes sont faciles à fixer sur une surface, mais difficiles à enlever. Ce phénomène, connu sous le nom d'hystérésis d'adhésion, peut être fondamentalement observé dans les matériaux souples et élastiques : Le contact adhésif se forme plus facilement qu'il ne se rompt. Des chercheurs de l'université de Fribourg, de l'université de Pittsburgh et de l'université d'Akron aux États-Unis ont découvert que cette hystérésis d'adhésion est causée par la rugosité de la surface des matériaux souples adhérents. Grâce à une combinaison d'observations expérimentales et de simulations, l'équipe a démontré que la rugosité interfère avec le processus de séparation, provoquant le détachement des matériaux par de minuscules mouvements brusques, qui libèrent des parties de la liaison adhésive de manière incrémentielle. Antoine Sanner et Lars Pastewka du département d'ingénierie des microsystèmes et du pôle d'excellence livMatSde l'université de Fribourg, Nityanshu Kumar et Ali Dhinojwala de l'université d'Akron et Tevis Jacobs de l'université de Pittsburgh ont publié leurs résultats dans la revue Science Advances.
La simulation montre la zone de contact d'un solide mou qui est séparé d'une surface rugueuse. Chaque point de couleur correspond à une instabilité du contact. Les différentes intensités de couleur indiquent la quantité d'énergie perdue au cours du processus.
Antoine Sanner, Lars Pastewka
"Nos découvertes permettront de contrôler spécifiquement les propriétés d'adhérence des matériaux souples grâce à la rugosité de la surface", déclare Sanner. "Ils permettront également de développer à l'avenir des applications nouvelles et améliorées dans le domaine de la robotique douce ou de la technologie de production, par exemple pour les préhenseurs ou les systèmes de placement."
Mouvement de saut soudain du bord du contact
Jusqu'à présent, les chercheurs ont émis l'hypothèse que la dissipation de l'énergie viscoélastique était à l'origine de l'hystérésis d'adhésion dans les solides mous. En d'autres termes, l'énergie est perdue sous forme de chaleur dans le matériau parce qu'il se déforme dans le cycle de contact : Il est comprimé lors de l'établissement du contact et se dilate lors du relâchement. Ces pertes d'énergie s'opposent au mouvement de la surface de contact, ce qui augmente la force d'adhésion lors de la séparation. Le vieillissement du contact, c'est-à-dire la formation de liaisons chimiques sur la surface de contact, a également été suggéré comme cause. Dans ce cas, plus le contact dure longtemps, plus l'adhésion est importante. "Nos simulations montrent que l'hystérésis observée peut être expliquée sans ces mécanismes spécifiques de dissipation d'énergie. La seule source de dissipation d'énergie dans notre modèle numérique est le mouvement de saut soudain du bord du contact, qui est induit par la rugosité", explique M. Sanner.
Hystérésis d'adhésion calculée pour une rugosité de surface réaliste
Ce mouvement de saut soudain est clairement reconnaissable dans les simulations des chercheurs de Fribourg et dans les expériences d'adhésion de l'université d'Akron. "Le changement brusque de la surface de contact a déjà été mentionné dans les années 1990 comme une cause possible de l'hystérésis d'adhésion, mais les travaux théoriques antérieurs sur ce sujet étaient limités à des propriétés de surface simplifiées", explique M. Kumar. "Nous avons réussi pour la première fois à calculer l'hystérésis d'adhésion pour une rugosité de surface réaliste. Cette réussite repose sur l'efficacité du modèle numérique et sur une caractérisation extrêmement détaillée de la surface réalisée par des chercheurs de l'université de Pittsburgh", précise M. Jacobs.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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