Usando un dispositivo lo suficientemente pequeño como para caber en la cabeza de un alfiler, Los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign obtuvieron nuevos conocimientos sobre las propiedades de las fibras poliméricas a nanoescala:conocimientos que pueden informar el diseño y la fabricación de productos compuestos por redes aleatorias de filamentos. como filtros robustos diseñados para bloquear la entrada de partículas extrañas en nuestros pulmones.

"Las redes de filamentos interconectados están en todas partes en sistemas biológicos y de bioingeniería, como tejidos conectivos, telarañas, y andamios para el crecimiento de tejidos, así como productos de consumo, como filtros de aire, "dijo Debashish Das, un becario postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la U de I. "Esta investigación proporciona conocimientos experimentales directos sobre la forma en que la adhesión y la fricción se acoplan en la escala de longitud nanométrica. Las fibras a nanoescala de materiales similares se adhieren fuertemente entre sí, lo que dificulta la separación . Y, incluso si están separados por la fuerza, se juntan espontáneamente. La obtención de conocimientos experimentales sobre estos fenómenos puede tener implicaciones directas para el diseño de elástico, y redes resistentes de nanofibras blandas ".

Das explicó mientras examinamos fibras y otras superficies a micro y nanoescala, el paisaje cambia. "A medida que avanzamos más y más desde la escala macro de longitud, que son visibles a simple vista, a las escalas de longitud micro y nanométrica, la superficie de partículas y fibras disminuye más lentamente en comparación con el volumen y todo se vuelve más pegajoso ".

En una red de nanofibras entrecruzadas con millones de uniones, Das realizó experimentos para averiguar qué sucede en una de las uniones superpuestas y medir la fuerza necesaria para separar o deslizar dos fibras. El diámetro de solo una de sus nanofibras es más de cien veces más pequeño que un cabello humano.

"Para comprender lo que sucede en la red a escala macro, que se compone potencialmente de miles de millones de nanofibras, Primero necesitamos entender los fenómenos mecánicos en la unión donde se cruzan dos nanofibras, " él dijo.

Experimentar con fibras a nanoescala requiere dispositivos especializados de tamaño micro. Das diseñaron y fabricaron pequeñas máquinas:sistemas microelectromecánicos, o MEMS, que tienen un tamaño inferior a un milímetro.

"En un estudio anterior, utilizamos un dispositivo MEMS para estirar una sola fibra de colágeno, ", dijo." En este estudio, acoplamos dos dispositivos MEMS orientados ortogonalmente para empujar dos fibras juntas y luego las separamos deslizándolas. Al hacerlo, pudimos medir simultáneamente la fuerza debida a la adherencia y a la fricción. Esta fue la primera vez que se hicieron posibles mediciones tan completas para fibras a nanoescala.

"De nuestras mediciones experimentales, calculamos el tamaño del área de contacto que se forma entre las dos superficies de nanofibras en su unión. Mientras aplicamos una fuerza de deslizamiento, el contacto comenzó a pelarse hasta que la fuerza de deslizamiento disminuyó repentinamente y se produjo una inestabilidad, lo que muestra cuán fuertes pueden ser las propiedades adhesivas a nanoescala ".

Das dijo, "Un hallazgo clave de nuestros experimentos fue que la fuerza de deslizamiento crítica dividida por el área de contacto era igual al límite elástico de corte del polímero. A medida que tiramos o estiramos un polímero, en un estrés particular, comenzará a deformarse plásticamente y no volverá a su configuración inicial. La tensión a la que se produce la deformación plástica se conoce como tensión de fluencia del polímero ".

Según Das, este es el primer estudio para identificar lo que está sucediendo durante el deslizamiento de nanofibras poliméricas.

"Probamos fibras con diferentes diámetros. Cada vez, Encontramos que la inestabilidad de deslizamiento ocurrió a un valor particular del esfuerzo cortante — la fuerza tangencial dividida por el tamaño del contacto — que es igual a la resistencia al cortante del polímero. Esto era algo que no sabíamos antes aunque ya se había informado de una respuesta de este tipo para los metales ".

El estudio, "Deslizamiento de contactos adhesivos de polímero a nanoescala, "fue escrito por Debashish Das y Ioannis Chasiotis. Se publica en el Journal of the Mechanics and Physics.