Фізика
Фізика

Фізики пояснили складність роз'єднання склеєних кінців скотчу

Не зважаючи на всі переваги клейкої стрічки, іноді вона утворює небажані пухирці повітря при наклеюванні, а найкраще приклеюється все ж сама до себе, що приносить безліч незручностей. Нідерландські фізики вирішили дослідити ці доволі неприємні явища та знайшли критичну точку, за якою петлі все ж доведеться розклеїтися, а не далі зменшуватися, як вона робить за спроб її розплутати зазвичай. Зона контакту сторін має зменшитися до десятикратної товщини стрічки. У European Physics Letters вчені наголошують, що цей тип взаємодії виходить за межі стандартної теорії пружності та знадобляться для гнучкої електроніки і експериментів з графеном. Скотч у своїй роботі вони до речі закручували у петлі самостійно.

Twan J. S. Wilting et al. / European Physics Letters, 2021

Twan J. S. Wilting et al. / European Physics Letters, 2021

Навіщо досліджувати скотч?

Механіка склеювання шарів матеріалів займає центральне значення у безлічі застосувань: від накладення пластирів і нанесення покриттів до революційного відкриття технології розшаровування графену та м'якої робототехніки. Дослідники шукають способів склеювати щось якнайефективніше, щоб зберегти і створити нові механічні властивості шарам чого б то не було, а також забезпечити їхню стабільність. Втім, так само як ви сваритеся на клейку стрічку, що та не приклеюється або приклеюється лише сама до себе, а також що її важко наклеїти так, щоб не з'явилися пухирці повітря, на це скаржаться і вчені. Всі ці неприємні речі відбуваються у багатьох типах тонких еластичних шарів, як-то капілярні плівки, м'які еластичні клейові суміші, захисні покриття та багатошарові матеріали. Тож у цій роботі нідерландські дослідники спробували знайти фізичну модель, яка б описала і пояснила утворення на клейкій стрічці бульбашок і петель, коли та приклеюється сама до себе. Такі петлі до речі зустрічаються і у графені, коли його шари скріплюються під мікроскопами вчених знову після кропіткого процесу розшарування — графенове кірігамі. Щоб ми могли створювати нові наноматеріали, нам варто б розуміти процес їхнього виробничого «псування» — наприклад, знати необхідну для відкриття або видалення цих складок силу. Так само нам потрібно розуміти критичну силу для розшаровування та умови утворення бульбашок при розробці тонкої гнучкої електроніки.

Петлі, з якими зібралися боротися вчені. Замість того, щоб кінці стрічки розірвалися від того, що їх тягнуть у різні сторони, петля зменшується до певного критичного розміру, і лише після цього кінці скотчу «відпустять» один одного. Twan J. S. Wilting et al. / European Physics Letters, 2021

Петлі, з якими зібралися боротися вчені. Замість того, щоб кінці стрічки розірвалися від того, що їх тягнуть у різні сторони, петля зменшується до певного критичного розміру, і лише після цього кінці скотчу «відпустять» один одного. Twan J. S. Wilting et al. / European Physics Letters, 2021

Що заклеювали фізики?

Головним об'єктом експериментів стали зразки скотчу, які фізики старанно склеювали разом, утворюючи петлю. Їх цікавить саме згаданий вище процес: несподівана динаміка стрічки за спроб розірвати утворену нею петлю. Починаючи відтягувати кінці скотчу, ви бачите як зона їхнього контакту очікувано зменшується, однак у той момент, коли можна було б очікувати розкриття петлі, цього не відбувається. У дослідженні взяли участь чотири зразки: три різних типи комерційних стрічок, а також ширша стрічка, яку утворили із двох смужок клейкої стрічки. Втім, експерименти зосередилися на найширшому зразку купленого скотчу із шириною у 15,3 міліметра і товщиною у 46 нанометрів. Для зручності її склали так, щоб дві сторони були рівні, а склеїли з найбільшою зоною контакту, де дві «контактні лінії» добре розділені.

Ці контактні лінії позначені їхніми координатами довжини дуги, відповідно, при s = a і b. При витягуванні двох кінців із певним зусиллям f, довжина зони контакту клею зменшується (темно-синя область, між s = a і s = b), в той час, як розмір петлі спочатку залишається постійним. Twan J. S. Wilting et al. / European Physics Letters, 2021

Ці контактні лінії позначені їхніми координатами довжини дуги, відповідно, при s = a і b. При витягуванні двох кінців із певним зусиллям f, довжина зони контакту клею зменшується (темно-синя область, між s = a і s = b), в той час, як розмір петлі спочатку залишається постійним. Twan J. S. Wilting et al. / European Physics Letters, 2021

Як розгорнути петлю?

Для більшої точності експерименти проводилися із двома двигунами, які намагалися розклеїти стрічку з постійною швидкістю дії на кожний кінець. Так вдалося охарактеризувати еволюцію процесу, вимірюючи розмір петлі і кривину по обидва боки контактної зони. Ці викривлення є ключовими складовими, бо за ними можна знайти значення необхідної для роз'єднання сили, коли стрічка поза зоною контакту описується теорією пружності (elastica theory). Значення кривини за нею визначається енергією прилипання або зчеплення на одиницю площі (або енергією руйнування, необхідною для відклеювання), а також модулем вигину стрічки.

Значення кривини за теорією пружності. Twan J. S. Wilting et al. / European Physics Letters, 2021

Значення кривини за теорією пружності. Twan J. S. Wilting et al. / European Physics Letters, 2021

Однак, несподівано виявилося, що кривина на фронті відшаровування збільшується, що вказує на нелінійне збільшення сили відшаровування. Спочатку вона залишається приблизно постійною, але різко збільшується до роз'єднання. Таке збільшення контрастує з попереднім аналізом петлевих механік і відомою формулою, яка, за словами дослідників, фактично сходить до механіки розшарування силікатів, а не клейких еластичних матеріалів. Вона працюватиме лише в умовах, коли зона контакту залишається великою. А для описання динаміки кривини стрічок скотчу, що склеїлися між собою та замість того, щоб розійтися, просто зменшують розмір петлі, вчені пропонують додати еласто-адгезійну довжину (elasto-adhesive length). Вона являє собою характеристику матеріалу під час його розшарування та визначається вершиною тріщини (crack tip), за якою шари неминуче почнуть розходитися. Наприклад, у пластичному матеріалі вона матиме форму тупого кута, а тому енергія деформації поширюватиметься слабко, тріщинам буде ні з чого утворюватися, і так матеріал не розкришиться. У випадку зі склеєними стрічками скотчу вона допоможе описати залежність енергії склеювання від швидкості, з якою ви скотч роз'єднуватимете. Таким чином, критичним розміром петлі, після якої вона врешті розірветься буде таке значення, де еласто-адгезійна довжина співвідноситиметься із розміром петлі як 2/3. Цікаво, що значення розміру петлі при розриві не просто пропорційне цій довжині, а має степеневу залежність, що виходить за рамки класичної теорії.

Важливо відзначити, що збільшення кривини, що явно спостерігається для всіх стрічок, з якими експериментували, натякає на сильну взаємодію між двома лініями контакту, що ще належить пояснити. Фізики використали широкий діапазон швидкостей відшаровування до 1,2 міліметра на секунду, і так з'ясували, що за великого зусилля вільний кінець стрічки відшаровується, а зона контакту коротшає. Втім, коли зона контакту стає досить маленькою, дві контактні лінії починають взаємодіяти і фронт відшаровування викликає «перекочувальний» рух під час якого положення вже другої лінії контакту зміщується. Ця ефективна взаємодія між двома контактними лініями зазвичай починається, коли розмір контакту стає менше десятиразової товщини стрічки. У цей момент велика петля починає зменшуватися в розмірах, а розмір тонкої клейкої зони контакту поступово зменшується, поки вона остаточно не зникне і склеєна стрічка не розірветься. Експерименти і моделювання показують і кількісно визначають збільшене зусилля, необхідне для видалення петель, що важливо для видалення бульбашок і розшарування тих же графенових листів. Такий самий ефект поширення контакту виникає в неклейких петлях, утримуваних разом за допомогою мастила або коли клейкий лист прилипає не до себе, а до іншої поверхні, що вчені також перевірили у ході дослідження. На їхню думку, це свідчить про застосовність результатів до широкого кола пов'язаних із подібними явищами матеріалів.

технології
вона зробила його масштабованим і знизила вартість експериментів з надпровідністю, нанорідинами та провідними чорнилами.