Använda en enhet som är tillräckligt liten för att passa på huvudet av ett stift, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign fick ny kunskap om egenskaperna hos polymerfibrer i nanoskala - kunskap som kan informera om design och tillverkning av produkter som består av slumpmässiga nätverk av filament, såsom robusta filter utformade för att blockera främmande partiklar från att komma in i våra lungor.

"Nätverk av sammankopplade filament finns överallt i biologiska och biotekniska system, såsom bindväv, spindelnät, och ställningar för vävnadstillväxt, såväl som konsumentprodukter, som luftfilter, " sa Debashish Das, en postdoktor vid institutionen för rymdteknik vid U of I. "Denna forskning ger direkta experimentella insikter om hur vidhäftning och friktion är kopplade på nanometerlängdsskalan. Fibrer i nanoskala av liknande material fäster starkt vid varandra vilket gör separation svårt Och, även om de är våldsamt åtskilda, de håller spontant ihop igen. Att få experimentella insikter om dessa fenomen kan ha direkta konsekvenser för utformningen av starka, uthållig, och tuffa nätverk av mjuka nanofibrer."

Detta förklaras när vi undersöker fibrer och andra ytor i mikro- och nanoskala, landskapet förändras. "När vi går mindre och mindre från makrolängdskalan, som är synliga för blotta ögat, till mikro- och nanometerlängdsskalorna, ytarean av partiklar och fibrer minskar långsammare jämfört med volymen och allt blir klibbigare."

I ett nätverk av korsande nanofibrer med miljontals knutpunkter, Das genomförde experiment för att ta reda på vad som händer vid en av de överlappande korsningarna och för att mäta kraften som krävs för att dra eller glida isär två fibrer. Diametern på bara en av hans nanofibrer är mer än hundra gånger mindre än ett människohår.

"För att förstå vad som händer i nätverket i makroskala, som potentiellt består av miljarder nanofibrer, först måste vi förstå de mekaniska fenomenen i korsningen där två nanofibrer korsar, " han sa.

Att experimentera med fibrer i nanoskala kräver specialiserade enheter i mikrostorlek. Det är designade och tillverkade små maskiner – mikro-elektro-mekaniska system, eller MEMS – som är mindre än en millimeter stora.

"I en tidigare studie, vi använde en MEMS-enhet för att sträcka en enda kollagenfiber, " sa han. "I den här studien, vi kopplade två MEMS-enheter ortogonalt orienterade för att trycka ihop två fibrer och separerade dem sedan genom att glida. Samtidigt som vi gjorde det kunde vi samtidigt mäta kraften på grund av vidhäftning och på grund av friktion. Detta var första gången sådana fullständiga mätningar möjliggjordes för fibrer i nanoskala.

"Från våra experimentella mätningar, vi beräknade storleken på kontaktytan som bildas mellan de två nanofiberytorna vid deras korsning. När vi applicerade en glidkraft, kontakten började flagna tills glidkraften plötsligt föll och en instabilitet uppstod, som visar hur starka adhesiva egenskaper kan vara på nanoskala."

Das sa, "En nyckelfynd från våra experiment var att den kritiska glidkraften dividerad med kontaktytan var lika med polymerens skjuvsträckgräns. När vi drar eller sträcker en polymer, vid en viss stress, den kommer att börja deformeras plastiskt och går inte tillbaka till sin ursprungliga konfiguration. Spänningen vid vilken den plastiska deformationen sätter in är känd som polymerens sträckgräns."

Enligt Das, detta är den första studien som identifierar vad som händer under glidningen av polymera nanofibrer.

"Vi testade fibrer med olika diametrar. Varje gång, vi fann att glidinstabiliteten inträffade vid ett speciellt värde av skjuvspänningen - tangentialkraften dividerad med kontaktstorleken - som är lika med polymerens skjuvhållfasthet. Detta var något vi inte visste innan, även om ett sådant svar hade rapporterats tidigare för metaller."

Studien, "Glidning av självhäftande polymerkontakter i nanoskala, " skrevs av Debashish Das och Ioannis Chasiotis. Den är publicerad i Journal of the Mechanics and Physics.