À l'aide d'un appareil suffisamment petit pour tenir sur la tête d'une épingle, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont acquis de nouvelles connaissances sur les propriétés des fibres polymères à l'échelle nanométrique, connaissances qui peuvent éclairer la conception et la fabrication de produits composés de réseaux aléatoires de filaments, tels que des filtres robustes conçus pour empêcher les particules étrangères de pénétrer dans nos poumons.

"Les réseaux de filaments interconnectés sont partout dans les systèmes biologiques et bio-ingénierie, tels que les tissus conjonctifs, toiles d'araignée, et des échafaudages pour la croissance des tissus, ainsi que des produits de consommation, tels que les filtres à air, " dit Debashish Das, chercheur postdoctoral au Département de génie aérospatial de l'U of I. "Cette recherche fournit des informations expérimentales directes sur la manière dont l'adhérence et la friction sont couplées à l'échelle nanométrique. Les fibres nanométriques de matériaux similaires adhèrent fortement les unes aux autres, ce qui rend la séparation difficile . Et, même s'ils sont séparés de force, ils se recollent spontanément. Obtenir des informations expérimentales sur ces phénomènes peut avoir des implications directes sur la conception de solides, résilient, et des réseaux résistants de nanofibres souples."

Das a expliqué que nous examinons les fibres et autres surfaces à l'échelle micro et nanométrique, le paysage change. "Au fur et à mesure que nous devenons de plus en plus petits à partir de l'échelle de longueur macro, qui sont visibles à l'œil nu, aux échelles de longueur micro et nanométrique, la surface des particules et des fibres diminue plus lentement par rapport au volume et tout devient plus collant."

Dans un réseau de nanofibres entrecroisées avec des millions de jonctions, Das a mené des expériences pour découvrir ce qui se passe à l'une des jonctions qui se chevauchent et pour mesurer la force nécessaire pour écarter ou faire glisser deux fibres. Le diamètre d'une seule de ses nanofibres est plus de cent fois plus petit qu'un cheveu humain.

"Pour comprendre ce qui se passe dans le réseau à l'échelle macro, qui est potentiellement composé de milliards de nanofibres, il faut d'abord comprendre les phénomènes mécaniques à la jonction où deux nanofibres se croisent, " il a dit.

Expérimenter avec des fibres nanométriques nécessite des dispositifs spécialisés de micro-taille. Das a conçu et fabriqué de minuscules machines—Systèmes micro-électro-mécaniques, ou MEMS, dont la taille est inférieure à un millimètre.

« Dans une étude précédente, nous avons utilisé un appareil MEMS pour étirer une seule fibre de collagène, " dit-il. " Dans cette étude, nous avons couplé deux dispositifs MEMS orientés orthogonalement pour pousser deux fibres ensemble puis les avons séparées par glissement. Ce faisant, nous avons pu mesurer simultanément la force due à l'adhérence et due au frottement. C'était la première fois que des mesures aussi complètes étaient rendues possibles pour des fibres à l'échelle nanométrique.

« D'après nos mesures expérimentales, nous avons calculé la taille de la zone de contact qui se forme entre les deux surfaces de nanofibres à leur jonction. Comme nous avons appliqué une force de glissement, le contact a commencé à se décoller jusqu'à ce que la force de glissement chute soudainement et qu'une instabilité se produise, ce qui montre à quel point les propriétés adhésives peuvent être puissantes à l'échelle nanométrique."

Das a dit, "Une découverte clé de nos expériences était que la force de glissement critique divisée par la zone de contact était égale à la limite d'élasticité de cisaillement du polymère. Lorsque nous tirons ou étirons un polymère, à une contrainte particulière, il commencera à se déformer plastiquement et ne reprendra pas sa configuration initiale. La contrainte à laquelle la déformation plastique s'installe est connue sous le nom de limite d'élasticité du polymère."

Selon Das, il s'agit de la première étude à identifier ce qui se passe lors du glissement de nanofibres polymères.

"Nous avons testé des fibres de diamètres différents. A chaque fois, nous avons constaté que l'instabilité de glissement se produisait à une valeur particulière de la contrainte de cisaillement - la force tangentielle divisée par la taille de contact - qui est égale à la résistance au cisaillement du polymère. C'était quelque chose que nous ne savions pas avant, bien qu'une telle réponse ait déjà été signalée pour les métaux."

L'étude, « Glissement de contacts polymères adhésifs nanométriques, " a été écrit par Debashish Das et Ioannis Chasiotis. Il est publié dans le Journal of the Mechanics and Physics.