Usando um dispositivo pequeno o suficiente para caber na cabeça de um alfinete, pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign ganharam novos conhecimentos sobre as propriedades das fibras poliméricas em nanoescala - conhecimento que pode informar o projeto e a fabricação de produtos feitos de redes aleatórias de filamentos, como filtros robustos projetados para bloquear a entrada de partículas estranhas em nossos pulmões.

"Redes de filamentos interconectados estão por toda parte em sistemas biológicos e de bioengenharia, como tecidos conjuntivos, teia de aranha, e andaimes para o crescimento do tecido, bem como produtos de consumo, como filtros de ar, "disse Debashish Das, um pós-doutorado no Departamento de Engenharia Aeroespacial da Universidade de I. "Esta pesquisa fornece insights experimentais diretos sobre a forma como a adesão e o atrito são acoplados na escala de comprimento nanométrico. Fibras em nanoescala de materiais semelhantes aderem fortemente umas às outras, o que torna a separação difícil . E, mesmo se eles forem separados à força, eles se juntam espontaneamente. A obtenção de insights experimentais sobre esses fenômenos pode ter implicações diretas para o projeto de resiliente, e redes resistentes de nanofibras macias. "

Das explicou enquanto examinamos fibras e outras superfícies em micro e nanoescalas, a paisagem muda. "À medida que vamos cada vez menores na escala macro de comprimento, que são visíveis a olho nu, às escalas de comprimento micro e nanométrico, a área de superfície das partículas e fibras diminui mais lentamente em comparação com o volume e tudo se torna mais pegajoso. "

Em uma rede de nanofibras entrecruzadas com milhões de junções, Das conduziu experimentos para descobrir o que acontece em uma das junções sobrepostas e para medir a força necessária para separar ou separar duas fibras. O diâmetro de apenas uma de suas nanofibras é mais de cem vezes menor do que um fio de cabelo humano.

“Para entender o que acontece na rede em escala macro, que é potencialmente composta por bilhões de nanofibras, primeiro precisamos entender os fenômenos mecânicos na junção onde duas nanofibras se cruzam, " ele disse.

Experimentar fibras em nanoescala requer dispositivos especializados em micro-tamanhos. Das minúsculas máquinas projetadas e fabricadas - Sistemas Microeletromecânicos, ou MEMS - que são menores do que um milímetro de tamanho.

"Em um estudo anterior, usamos um dispositivo MEMS para esticar uma única fibra de colágeno, "disse ele." Neste estudo, acoplamos dois dispositivos MEMS orientados ortogonalmente para empurrar duas fibras juntas e então as separamos por deslizamento. Ao fazer isso, pudemos medir simultaneamente a força devido à adesão e devido ao atrito. Esta foi a primeira vez que medições tão completas foram possíveis para fibras em nanoescala.

"A partir de nossas medições experimentais, calculamos o tamanho da área de contato que é formada entre as duas superfícies de nanofibras em sua junção. Conforme aplicamos uma força deslizante, o contato começou a descascar até que a força de deslizamento diminuiu repentinamente e ocorreu uma instabilidade, que mostra como as propriedades adesivas podem ser fortes em nanoescala. "

Das disse, "Uma descoberta importante de nossos experimentos foi que a força de deslizamento crítica dividida pela área de contato era igual à tensão de cisalhamento do polímero. À medida que puxamos ou esticamos um polímero, em um estresse particular, começará a se deformar plasticamente e não voltará à configuração inicial. A tensão na qual a deformação plástica se instala é conhecida como tensão de escoamento do polímero. "

De acordo com Das, este é o primeiro estudo a identificar o que está acontecendo durante o deslizamento de nanofibras poliméricas.

“Testamos fibras com diâmetros diferentes. A cada vez, descobrimos que a instabilidade de deslizamento ocorreu em um valor particular da tensão de cisalhamento - a força tangencial dividida pelo tamanho do contato - que é igual à resistência ao cisalhamento do polímero. Isso era algo que não sabíamos antes, embora tal resposta tenha sido relatada antes para metais. "

O estudo, "Deslizamento de contatos adesivos de polímero em nanoescala, "foi escrito por Debashish Das e Ioannis Chasiotis. É publicado no Journal of the Mechanics and Physics.