Neue Forschungsergebnisse stellen die herkömmliche Meinung über die Haftung nasser Oberflächen in Frage

Wissenschaftler der University of Akron und der University of Pittsburgh haben in einer neuen Forschung lang gehegte Annahmen widerlegt, wonach Wasser die Adhäsion fördern kann.

Dr. Ali Dhinojwala, W. Gerald Austen Chair und HA Morton Professor an der School of Polymer Science and Engineering der University of Akron, leitete ein Team, dessen bedeutender Durchbruch – dass Wasser die Haftung unter kontrollierten Bedingungen unerwartet verbessern kann – im August veröffentlicht wurde 7 Zoll Wissenschaftliche Fortschritte.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind tiefgreifend, auch in biomedizinischen Anwendungen wie Bandagen, Gesundheitsüberwachungssensoren für feuchte Haut und fortschrittlichen Klebstoffen, die Nähte ersetzen könnten. Die Erkenntnisse aus der Nutzung von Oberflächenrauheit und Materialeigenschaften könnten Milliardenindustrien weltweit revolutionieren.

Das Fahren auf nassen Straßen oder das Anbringen von Griptape auf feuchter Haut sind tägliche Herausforderungen, die durch die Schwierigkeit, auf nassen, rauen Oberflächen starken Grip zu erzielen, noch verschärft werden. Traditionell wurde die Anwesenheit von Wasser als Hindernis betrachtet, das die für eine wirksame Haftung notwendigen molekularen Bindungen zerstört. Wasser neigt dazu, an Oberflächen zu haften und sich in der Oberflächenrauheit festzusetzen, was den Adhäsionsprozess zusätzlich erschwert.

In einem bedeutenden Durchbruch gelang dem Team von Dr die Haftung eines weichen Elastomers an präzise konstruierten rauen Oberflächen, die ein komplexes Zusammenspiel zwischen Wasser, Oberflächenrauheit und Adhäsionsdynamik offenbart.

Dr. Dhinojwala und der Doktorand Nityanshu Kumar führten bahnbrechende Unterwasserexperimente durch und entwickelten Modelle zur Erklärung der Ergebnisse. Die rauen Oberflächen wurden im Argonne National Laboratory chemisch präpariert und an der University of Pittsburgh bis auf die atomare Skala charakterisiert. Die Simulationen der Trennschnittstelle wurden an der Universität Freiburg durchgeführt. Die Studie war nur dank der komplementären Expertise dieses kollaborativen Teams möglich.

Entgegen den Erwartungen stört die Anwesenheit von Wasser während der Kontaktbildung zunächst die Adhäsion, indem der molekulare Kontakt auf fast der Hälfte der Oberfläche durch eingeschlossene Wassermoleküle verhindert wird. Darüber hinaus wird die zur Verformung des Elastomers und zur Anpassung an die Oberflächenrauheit erforderliche Energie in Gegenwart von Wasser deutlich erhöht, was die anfängliche Haftung weiter verringert.

Überraschenderweise erhöhte die Anwesenheit von Wasser, das die Haftung während der Kontaktbildung stört, die Haftung beim Ablösen um fast das Vierfache. Mithilfe analytischer Modelle und oberflächenempfindlicher Spektroskopie zeigten diese Ergebnisse, dass Wasser in nanometergroßen Taschen eingeschlossen ist. „Es ist schwierig, unter Wasser Kontakt herzustellen, da zusätzliche Energie erforderlich ist, um das Wasser herauszudrücken, und man es nicht vollständig entfernen kann“, sagte Dr. Jacobs. „Aber wir waren sehr überrascht zu sehen, dass das gleiche eingeschlossene Wasser, das es schwierig macht, zwei Oberflächen zusammenzubringen, es auch viel schwieriger macht, dieselben Oberflächen zu trennen.“ »

„Diese Ergebnisse stellen die traditionelle Vorstellung in Frage, dass Wasser systematisch die Adhäsion verhindert“, sagte Dr. Dhinojwala. „Indem wir verstehen, wie Wasser mit der Oberflächentopographie interagiert, können wir möglicherweise die Rauheit ausnutzen, um den Halt zu verbessern, ähnlich wie Geckos ihre Fußsohlen nutzen, um auf nassen Oberflächen zu klettern.“ »

Als nächstes will sich das Team von Dr. Dhinojwala auf die Verfeinerung dieser Ergebnisse konzentrieren, um praktische Anwendungen zu entwickeln, die von den überraschenden Vorteilen von Wasser in der Adhäsionswissenschaft profitieren.