[논문 리뷰] Why soft contacts are stickier when breaking than when making them

Antoine Sanner, Nityanshu Kumar외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 26.

Adhesion, Friction, and Surface Interactions인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 부드러운 접촉에서의 부착 히스테리시스—접촉을 끊는 데 더 많은 힘이 필요한 현상—가 점탄성 또는 점탄성 특성이 없는 시스템에서도 표면 거칠기만으로 발생함을 보여준다. 저자들은 균열-왜곡 모델을 제안하여 거칠기의 고점과 저점에서 국소적으로 변화하는 파손 에너지가 스트레스-스lip 불안정성을 유도하고 접촉 둘레를 고정시켜 접근과 재진입 과정에서 에너지 손실이 비대칭적으로 발생함을 설명한다. 이는 다양한 길이 척도에서 관측된 히스테리시스를 정량적으로 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에너지 보존 법칙에도 불구하고 부착력이 접근력보다 큰 부드러운 재료에서의 부착 히스테리시스 문제를 해결하기 위해.
• 점탄성 또는 접촉 노화와 무관하게 표면 거칠기만으로도 부착 히스테리시스가 발생할 수 있는지 조사하기 위해.
• 실제 거친 표면의 위상 구조를 기반으로 하여 히스테리시스의 크기를 정량적으로 예측할 수 있는 모델을 개발하기 위해.
• 실제 및 합성 거친 표면을 사용한 실험과 시뮬레이션을 통해 모델의 타당성을 검증하기 위해.
• 소모적 메커니즘이 없음에도 불구하고 생물학적 및 공학적 소프트 접착제에서 히스테리시스가 널리 퍼져 있는 이유를 설명하기 위해.

제안 방법

• 접촉 둘레를 그레프리프 기준에 따라 지배되는 균열 전면으로 모델링하며, 에너지 방출률 G가 국소 파손 에너지 wloc와 균형을 이루어야 한다고 가정한다.
• 표면 거칠기 기반으로 국소적으로 변화하는 wloc를 도입하여, 각 거칠기의 고점과 저점이 서로 다른 국소 파손 에너지를 가진다고 간주한다.
• 레버리지 메커니즘을 적용: 접근 과정에서는 wloc가 낮을 때만 균열이 전진하고, 재진입 과정에서는 wloc가 높을 때만 균열이 후퇴하며, 고에너지 지점에서의 고정으로 인해 발생한다.
• 탄성 구형 접촉에 대해 JKR 모델을 적용하여 GJKR(b,a)를 계산하며, 이는 이격 거리 b와 접촉 반경 a에 따른 에너지 방출률을 나타낸다.
• 자기유사 성분 스펙트럼 밀도(PSD)를 갖는 합성 거친 표면에서 접촉을 시뮬레이션하여 실험적 거칠기 통계와 일치시킨다.
• 부드러운 고무 구가 거친 기초 표면에 접촉하는 실험적 力-변위 곡선과 비교하여 모델을 검증하였으며, 관측된 히스테리시스와 정량적 일치를 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 거칠기만으로도 점탄성이나 점탄성 특성이 없는 완전히 탄성적인 소프트 접촉에서 부착 히스테리시스가 발생할 수 있는가?
• RQ2 부드러운 재료에서 접촉 접근과 재진입 과정에서의 비대칭적 힘 응답을 설명하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 거칠기의 돌출부에서 국소적으로 변화하는 파손 에너지가 접촉 둘레의 안정성과 동역학에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 표면 거칠기의 통계적 특성으로부터 부착 히스테리시스의 크기를 어느 정도 예측할 수 있는가?
• RQ5 에너지 손실로 인해 접착력이 감소할 것으로 예상됨에도 불구하고, 소프트 접착제가 거친 표면에서 효과적으로 작용하는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 점탄성 또는 노화 없이도 표면 거칠기와 국소 파손 에너지의 이질성에 의한 균열 고정으로 인해 부착 히스테리시스가 발생함을 확인하였다.
• 모델은 실험적 히스테리시스 루프를 정량적으로 재현하였으며, 재진입 과정에서의 떼어내는 힘이 접근 과정에서의 최대 부착력보다 높음을 보였다.
• 히스테리시스의 크기는 탄성 에너지 밀도(eel)와 본질적 부착 에너지(wint)의 비율에 비례하며, eel/wint 비율이 클수록 히스테리시스가 증가한다.
• eel/wint = 0.05일 경우, 모델은 재진입 과정에서 부착 에너지의 명시적 증가율이 약 20%로 예측하였으며, 이는 실험 관측과 일치한다.
• 균열-왜곡 모델은 접근 및 재진입 과정에서 거칠기 요소 간의 파손 에너지가 다를 때 발생하는 접촉 둘레의 이산적 이동을 설명한다.
• 자기유사 거칠기 통계를 사용한 시뮬레이션을 통해 나노스케일에서 매크로스케일에 이르기까지 다양한 길이 척도에서 히스테리시스를 이론적으로 설명할 수 있었다.