1Dip. di Fisica UniMoRe - Progetto Lauree Scientifiche – NanoLabwww.nanolab.unimore.it

Università degli Studi di Modena e Reggio E.

Nanotribologia, superfici nanostrutturate

effetto geco; effetto lotus

NanoLab: le nanoscienze in laboratorio.Corso di aggiornamento teorico-pratico su nanoscienze e nanotecnologie per docenti di materie scientifiche

2

Le forze del nanomondo

●Alla nanoscala l'effetto della gravità è spesso trascurabile.

●Le forze elettromagnetiche e le forze intermolecolari assumono un ruolo predominante a causa delle dimensioni e della masse ridotte in gioco.

●Alla nanoscala una gran parte degli atomi e delle molecole è esposta alla superficie per cui le proprietà degli oggetti sono dominate appunto dalle interazioni di superficie.

●La tribologia ha che fare con superfici in contatto ed interfaccia ...

3

L'attrito(radente) alla macroscala è

● indipendente dalla superficie di contatto● proporzionale alla forza normale● distinto in attrito statico e attrito dinamico● indipendente dalla velocità di scivolamento

La macrotribologia

4

La nanotribologia

● Non consiste semplicemente nel riportare tutto proporzionalmente ad una scala diversa rispetto ai fenomeni di attrito alla macroscala.

● Il quadro fisico di riferimento è diverso: fenomeni che passano praticamente inosservati a livello macro assumono qui una importanza critica.

● Ciò che soprattutto distingue la nanotribologia dalla tribologia è il massiccio coinvolgimento delle forze atomiche/di superficie nel determinare il comportamento finale del sistema.

L'attrito alla nanoscala●dipende dall'area di contatto reale (non geometrica)●e dalla velocità di scivolamento ●I lubrificanti liquidi tradizionali diventano troppo viscosi quando risultano confinati in strati di spessore pari a quello di uno strato molecolare

5

Forze intermolecolari /interatomiche

● Legame ionico● Legame covalente● Legame metallico● Legame idrogeno● Van Der Waals

la forza di Keesom dipolo dipolo

● e la Forza di Debye dipolo dipolo indotto

● forza di dispersione di London dipoli simultaneamente indotti

interazioni deboli di natura elettrostatica

6

I laboratori

Nei laboratori sono approfonditi quegli aspetti che si prestano ad essere studiati attraverso modelli macroscopici e proprietà e comportamenti macroscopicamente apprezzabili di alcuni materiali a superficie nanostrutturata

In http://www.nano-world.org/en è invece possibile trovare simulazioni, applet, la possibilità di usare in remoto un AFM, etc... online experiments - friction module

Sfruttano il “Wow factor” ; il piacere della scoperta

7

Superficie reale di contatto

●Chi ha la maggior area di contatto (reale)?●Calcolare il rapporto area di contatto/ area totale

8

Superficie reale di contatto

9

L'origine dell'attrito

La causa dell'attrito radente è spesso individuata nelle asperità tra superfici a contatto ...

...ma è dovuto soprattutto a fenomeni di adesione tra tali superfici (Hertz)

Lastre metalliche lucidate a specchio in condizioni di vuoto spinto possiedono un coefficiente di attrito enorme

Di contro rendere più rugosa una superficie può addirittura ridurne l'attritoBlow-up immgini del nanomondo G. Gazzadi

10

“Adesione”

11

Post it SEM

12

Il segreto del geco

In circa 180 anni di ricerche sono state avanzate molte ipotesi

1) agganciamento meccanico

2) forze magnetiche

3) ventose

4) secrezione collosa

5) elettricità statica

6) capillarità

7) van der Waals

http://vimeo.com/3298046

13

Geco sintetico

Dal fatto che l'adesività del geco sia stata riportata alla adesione asciutta, dovuta alle forze di vander Waals, discendono alcune importanti conseguenze. Prima fra tutte il fatto che non si tratta diun fenomeno influenzato dalla chimica delle superfici quanto dalla geometria delle stesse(distanze tra superfici diverse, dimensioni e forma). In particolare ciò significa che dovremmoessere capaci di fabbricare modelli sintetici delle spatole del geco la cui superficie, pur differendoper il materiale di cui è costituita, ha comunque uguale efficacia adesiva. polimeri, nanotubi dicarbonio

Sticky bot

14

Immagini SEM

15

Il geco nanopad

Test method shear adhesionnews_img_143.jpeg1. Definition

The static shear adhesion describes the time needed by an adhesive tape sample to “shear off” from a defined surface when being exposed to a steady load.

2. Nature of test

From a tape roll two test samples of 1 cm width are taken. These stripes are sticked in a length of 1 cm onto a defined piece of test carton and pressed with a roller four times on the carton. The testliner with the now obtained test surface of 1 cm2 is then fixed vertically in a support. The bottom end of the test sample now is formed to a loop to which a weight of 565 g is fastened. The resulting weight exposure leads to the “shearing off” from the tape.

The length of the shear time is recorded via a time measurement device and the value obtained is stated in hours (h).

16

Il geco nanopad

1) Progettate e realizzate test per verificare su quali forze si basa il suo meccanismo adesivo. E' davvero gecko inspired ? Pag.7 guida doc

Che cosa posso affermare/escludere e cosa NON posso affermare /escludere con ciascun esperimento?

2) Valutate le sue prestazioni ed eventualmente confrontatele con altri adesivi:

Il geco nanotape non è ancora commercializzato.Ma in rete è venduto il geco nanopad.

“The Nano Pad is a hand-sized pad that makes use of nanotechnology to create a vacuum system onto which cellphones and other devices stick. “ da una pubblicità .

17

Il geco nanopad