[論文レビュー] Why soft contacts are stickier when breaking than when making them

Antoine Sanner, Nityanshu Kumar+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2023

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、完全に弾性で粘弾性を示さない系においても、表面粗さそのものによって、軟らかい接触における接着ヒステリシス（接触を切る際の力が接触を形成する際の力より大きい現象）が生じることを示している。著者らは、粗さのピークとボウル部における局所的破壊エネルギーの変動が、接触端縁のスティックスリップ不安定性を引き起こし、接触端縁がピン留めされることで、接近と剥離におけるエネルギー散逸の非対称性が生じることを示すクラック摂動モデルを提案している。この現象により、長さスケールにわたって観察されたヒステリシスが定量的に説明可能である。

ABSTRACT

Insects, pick-and-place manufacturing, engineered adhesives, and soft robots employ soft materials to stick to surfaces even in the presence of roughness. Experiments show that the force required for making contact is lower than for releasing it, a phenomenon known as the adhesion hysteresis. The common explanation for this hysteresis is either contact aging or viscoelasticity. Here, we show that adhesion hysteresis emerges even for perfectly elastic contacts and in the absence of contact aging and viscoelasticity because of surface roughness. We present a crack-perturbation model and experimental observations that reveal discrete jumps of the contact perimeter. These stick-slip instabilities are triggered by local differences in fracture energy between roughness peaks and valleys. Pinning of the contact perimeter retards both its advancement when coming into contact and its retraction when pulling away. Our model quantitatively reproduces the hysteresis observed in experiments and allows us to derive analytical predictions for its magnitude, accounting for realistic rough geometries across orders of magnitude in length scale. Our results explain why adhesion hysteresis is ubiquitous and reveal why soft pads in nature and engineering are efficient in adhering even to surfaces with significant roughness.

研究の動機と目的

• エネルギー保存則に反しないにもかかわらず、引っ張り力が接近力より大きいという、軟らかい材料における接着ヒステリシの長年の謎を解明すること。
• 粘弾性や接触時間の経過とは独立して、表面粗さのみから接着ヒステリシが生じるかどうかを調査すること。
• 現実的な粗い表面の形状に基づいて、ヒステリシの大きさを予測可能なモデルを開発すること。
• 実際の粗い表面および合成粗い表面を用いた実験とシミュレーションにより、モデルの妥当性を検証すること。
• 粘性散逸機構が存在しないにもかかわらず、生物学的および工学的軟らかい接着剤に広く見られるヒステリシの普遍性を説明すること。

提案手法

• 接触端縁を、エネルギー解放率 G が局所的破壊エネルギー wloc と釣り合う必要があるグリフィスの基準で支配されるクラックフロントとしてモデル化する。
• 表面粗さに基づいて空間的に変化する wloc を導入し、各粗さのピークとボウル部をそれぞれ異なる局所的破壊エネルギーを持つものとして扱う。
• ラッチ機構を用いる：接近時、wloc が低い場所でのみクラックが進行する。剥離時、wloc が高い場所でピン留めが生じるため、wloc が高い場所でのみクラックが後退する。
• 弾性球体接触のJKRモデルを用い、GJKR(b,a) として、変位 b と接触半径 a の関数としてのエネルギー解放率を計算する。
• 自己相関型パワースペクトル密度（PSD）を有する合成粗い表面を用いて、実験的粗さ統計と一致するように接着接触をシミュレートする。
• 実験的力-変位曲線（軟らかい高分子球が粗い基板上に接触する際のもの）と比較して、モデルの妥当性を検証し、観測されたヒステリシスと定量的に一致することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に弾性で粘弾性を示さない軟らかい接触において、表面粗さのみから接着ヒステリシが生じ得るか？
• RQ2 軟らかい材料において、接触接近と剥離の間で力応答が非対称となる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 粗さの凸部における局所的破壊エネルギーの変動が、接触端縁の安定性およびダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ4 ヒステリシの大きさは、表面粗さの統計的性質からどの程度予測可能か？
• RQ5 エネルギー損失の原因となる散逸機構が存在しないにもかかわらず、なぜ軟らかい接着剤が粗い表面に有効に機能するのか？

主な発見

• 接着ヒステリシは、粘弾性や経時的変化が存在しない状況においても、表面粗さと局所的破壊エネルギーの不均一性に起因するクラックピン留めによって生じる。
• モデルは実験的ヒステリシープロットを定量的に再現し、剥離時の剥がし取り力が接近時の最大接着力よりも大きいことを示している。
• ヒステリシスの大きさは、単位面積あたりの弾性エネルギー（eel）と固有の接着仕事（wint）の比に比例し、eel/wint が大きくなるほどヒステリシスが増大する。
• eel/wint = 0.05 の場合、モデルは剥離時の見かけの接着仕事量が接近時と比べて20%増加すると予測し、実験観察と一致する。
• クラック摂動モデルは、接近時および剥離時における接触端縁の離散的ジャンプを説明でき、それぞれ異なる破壊エネルギーを持つ粗さの特徴間の遷移に対応する。
• 自己相関型粗さ統計を用いたシミュレーションにより、ナノスケールからマクロスケールにわたり、長さスケールにわたるヒステリシスを理論が説明可能である。