Däck som greppar vägen. Halkfria skor som förhindrar fall. En hand som tar upp en penna. En gecko som klättrar på en vägg.

Alla dessa saker beror på en mjuk yta som fäster på och släpper från en hård yta, en vanlig men ofullständigt förstådd interaktion. Ny forskning publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) hittar den felande länken mellan mjuk ytas vidhäftning och grovheten på den hårda ytan den vidrör. Pappret, "Koppla energiförlust i mjuk vidhäftning till ytråhet, " (DOI:10.1073/pnas.1913126116) publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences och var medförfattare av Siddhesh Dalvi, Abhijeet Gujrati, Subarna R. Khanal, Lars Pastewka, Ali Dhinojwala, och Tevis D.B. Jacobs.

Dr Jacobs, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid University of Pittsburghs Swanson School of Engineering, och Dr Dhinojwala, provisorisk dekanus och H.A. Morton professor i polymervetenskap vid University of Akron's College of Polymer Science and Polymer Engineering, har använt in situ mikroskopiska mätningar av kontaktstorlek för att låsa upp den grundläggande fysiken för hur grovhet påverkar vidhäftning av mjukt material.

"En gecko som springer uppför en vertikal vägg är ett utmärkt exempel på hur naturen har utvecklat en lösning för att hålla sig till grova ytor, " säger Dhinojwala. "Nyckeln för att uppnå denna vidhäftning på grov yta är molekylär kontakt. Mjukt material kan anpassa sig till grova ytor och skapa den molekylära kontakt som krävs för att fästa väl. Vi behöver en grundläggande förståelse för parametrarna som styr vidhäftning till grova ytor och den underliggande fysiken."

Det finns två olika delar av processen:vad som händer när du laddar upp kontakten och vad som händer när du separerar den.

Tidigare teorier har föreslagit hur grovhet påverkar den första halvan av processen, men ger ingen inblick i andra halvlek. Detta problem kallas "adhesionshysteres, " vilket betyder att den mjuka ytkontakten beter sig annorlunda när den möter den grova ytan snarare än när den dras bort. Ett sätt att tänka på adhesionshysteres är att tänka på en liten gummikula. Genom att trycka ner bollen mot en hård yta utökas kontaktytan; att släppa taget kommer att få området att krympa igen, men inte på ett förutsägbart sätt, symmetriskt sätt. Denna upptäckt markerar den första modellen för grov vidhäftning som kan förutsäga båda.

Nyckeln till denna grundläggande upptäckt är en närmare titt på själva den grova ytan - mycket, väldigt nära.

"Människor har mätt grovhet i hundra år, men konventionella tekniker kan inte se de små detaljerna, " säger Jacobs. "Vi zoomade in, kombinera flera tekniker, för att mäta grovhet ovanpå grovhet ovanpå grovhet. Texturen går ner till atomskalan för många ytor."

Gruppen utvecklade ett nytt tillvägagångssätt med hjälp av ett elektronmikroskop för att mäta grovhet ner till under skalan för en nanometer. En av ytorna i denna studie verkade mycket slätare än två andra när den mättes med konventionella tekniker; dock, när man mäter ner till atomskalan, det visade sig vara det tuffaste av alla. Denna småskaliga grovhet skapade mycket mer yta för det mjuka materialet att greppa. Den detaljerade förståelsen av den grova ytan var den felande länken som förklarade ytornas vidhäftningsbeteende.

"Vår forskning svarade på en viktig fråga, men i en annan mening, det öppnade upp en ny undersökningslinje, " säger Jacobs. "Det finns många intressanta frågor om vad det egentligen betyder för ytor att vara "i kontakt" och hur man kopplar det som händer på atomär skala till det vi observerar i full storlek, verkliga kontakter. Och vi är glada över att fortsätta svara på dem."