Haftung eingeschlossen Forscher enthüllen Hafteffekte bei weichen Materialien

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Freiburger Forscher sind dem Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf das Adhäsionsvermögen von weichen Materialien auf der Spur ...

Klebeband oder Haftnotizen lassen sich, wie fast jeder schon gemerkt haben dürfte, leicht an einer Oberfläche anbringen, aber nur schwer wieder von derselben lösen. Dieses Phänomen, die sogenannte Adhäsionshysterese, lässt sich grundlegend bei weichen, elastischen Materialien beobachten, wie Forscher der Albrecht-Ludwigs-Universität in Freiburg im Breisgau erklären. Ein adhäsiver Kontakt ist folglich leichter zu bilden als zu beenden. Mit den Freiburgern untersuchen auch Wissenschaftler an der US-amerikanischen University of Pittsburgh und der University of Akron das Phänomen und haben nun herausgefunden, dass diese sogenannte Adhäsionshysterese durch die Oberflächenrauigkeit der haftenden, weichen Materialien hervorgerufen wird.

Rauhe Oberflächen beenden Hafteffekt nur stotternd

Anhand von Experimenten und Simulationen konnten die Spezialisten demnach beweisen, dass die Rauigkeit den Trennungsprozess stört. Sie führe dazu, dass sich die Materialien in winzigen, abrupten Bewegungen trennen, wodurch sich Teile der adhäsiven Verbindung nur schrittweise lösen. Diese Erkenntnis haben die Projektpartner zuerst in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht. Mit dem neuen Wissen über das Ablöseverhalten von adhäsiven Verbindungen werde es möglich sein, die Haftungseigenschaften von weichen Materialien gezielt durch die Oberflächenrauigkeit zu steuern. Damit könnten künftig auch neue und verbesserte Anwendungen – etwa in der Softrobotik oder dre Produktionstechnik – aus der Taufe gehoben werden. Die Forscher denken dabei etwa an adhäsiv wirkende Greifer oder Bestückungssysteme.

Das ist der springende (Kontakt)punkt

Bisher ging die Forschung davon aus, dass eine viskoelastische Energiedissipation (Energieumwandlung) die Adhäsionshysterese bei weichen Festkörpern verursacht. Dabei geht im Material Energie in Form von Wärme verloren, weil es sich im Kontaktzyklus verformt, so die frühere Theorie. Das Material wird ja bei der Kontaktbildung komprimiert und dehnt sich dann beim Lösen aus. Diese Energieverluste wirken der Bewegung der Kontaktfläche entgegen, wodurch sich die Haftungskraft beim Trennen verstärkt. Auch eine Kontaktalterung, also die Ausbildung chemischer Bindungen an der Kontaktfläche, wurde zuvor als Ursache für das Anhaften vermutet. Dabei wird die Haftung größer, je länger der Kontakt besteht. Die jetzt gemachten Simulationen zeigen aber, dass die im Experiment beobachtete Hysterese auch ohne diese speziellen Energiedissipationsmechanismen erklärt werden kann, wie die Experten betonen. Die einzige Quelle von Energiedissipation im neuen numerischen Modell sei die plötzliche Sprungbewegung der Kontaktkante, die durch die Rauigkeit induziert werde.

Berechenbare Adhäsionshysterese für die Praxis

Diese plötzliche Sprungbewegung ist in den Simulationen der Freiburger Forscher und in den Adhäsionsexperimenten der University of Akron deutlich zu erkennen, heißt es weiter. Die sprunghafte Änderung der Kontaktfläche wurde aber schon in den 1990er-Jahren als mögliche Ursache der Adhäsionshysterese genannt. Jedoch beschränkten sich die bisherigen theoretischen Arbeiten hierzu auf eine vereinfachte Oberflächenbeschaffenheit. Den Projektpartnern ist es, wie sie betonen, aber nun das erste Mal gelungen, die Adhäsionshysterese für realistische Oberflächenrauigkeit auch zu berechnen. Dieser Erfolg basiert auf der Effizienz des numerischen Modells und einer extrem detaillierten Oberflächencharakterisierung, die von den Forschern der University of Pittsburgh vorgenommen wurde.

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