Caratterizzazione macroscopica qualitativa
1 – Differenza fra adesione peeling e shear
Per un adesivo si parla di forza di adesione in riferimento all’intensità della forza che deve essere applicata per provocare il distacco, tale forza può variare a seconda della direzione in cui viene applicata
2 – Manipolazione del gecko tape ed adesione selettiva
Nel video si mostrano alcuni esempi di manipolazione del materiale, su diverse superfici, per indagare l’adesione peeling e shear; le medesime prove possono essere fatte utilizzando superfici curve (dove il peeling non riesce mai ad essere eliminato) e confrontando il comportamento del gecko tape con quello di un nastro adesivo comune con colla come ad esempio il nastro da pacco o il nastro da elettricista
3 – Adesione sottovuoto del Gecko Tape
Dimostrazione d’aula:apparato sperimentale composto da una campana da vuoto ed una pompa rotativa, nella campana i inserisce un palloncino semisgonfio che funge da indicatore della depressione che si creerà. Due rondelle identiche vengono poste nella campana collegate ad un supporto verticale, una è trattenuta da una ventosa l’altra aderisce al Gecko Tape…. cosa accadrà?
4 – Adesione sottovuoto del Gecko Tape ingrandimento dell’sperimento
Esperimento precedente ripetuto focalizzando l’immagine sull’ingrandimento delle due rondelle, oltre alla fase di riduzione della pressione si mostra anche cosa accade quando si riimmette aria all’interno della campana.
Bagnabilità: interazione solido liquido
5 – Angolo di contatto e bagnabilità del gecko tape
Visualizzate qui il confronto fra due gocce di acqua colorata depositate sui due lati del Gecko tape: quello liscio e quello microsrutturato. Sulle due facce del gecko Tape depositiamo due gocce identiche di acqua colorata, valutiamo l’angolo di contatto ossia l’angolo tra il piano e la tangente alla goccia all’interfaccia solido liquido
6 – Angolo di contatto e rotolamento su gecko tape
Visualizzate qui il confronto fra due gocce di acqua colorata depositate sui due lati del Gecko tape: quello liscio e quello microsrutturato. Sulle due facce del gecko Tape depositiamo due gocce identiche di acqua colorata, valutiamo l’angolo di contatto e l’angolo di rotolamento nonché la deformazione delle gocce e il significato di angolo di tild.
7 – Angolo di contatto e rotolamento su gecko tape al rallentatore
Visualizzate qui il confronto fra due gocce di acqua colorata depositate sui due lati del Gecko tape: lato liscio a sinistra lato microstrutturato a destra.
8 – Moto di una goccia di acqua su Gecko Tape lato microstrutturato
Goccia di acqua colorata su gecko tape lato microstrutturato. La telecamera acquisisce a 250 fr/sec ed è fissata solidamente al piano inclinato; questo viene sollevato al lato sinistro, si assiste prima alla deformazione della goccia poi al suo rotolamento verso il lato destro, corrispondente alla direzione dell’accelerazione di gravità.
9 – Moto di una goccia di acqua su Gecko Tape lato liscio
Goccia di acqua colorata su gecko tape lato liscio. La telecamera acquisisce a 250 fr/sec ed è fissata solidamente al piano inclinato; questo viene sollevato al lato sinistro, nel primo minuto del video si assiste alla deformazione della goccia poi al suo “rotolamento” verso il lato destro, corrispondente alla direzione verticale rispetto alla terra. Notare le differenze rispetto al video precedente ed in particolare la velocità della goccia e il fatto che ci sia o meno una scia di acqua che aderisce al materiale.
Caratterizzazione macroscopica quantitativa
10- Dipendenza dall’area di contatto-piano inclinato: posizione dei campioni
L’esperimento consiste nel misurare la forza d’attrito utilizzando un esperimento classico, quello con il piano inclinato. Si confrontano campioni di carta vetrata prima e di gecko tape dopo in modo da testare la dipendenza o meno dall’area di contatto.
Si parte prima con la carta vetrata per dimostrare il fatto, controintuitivo, dell’indipendenza nel caso di materiali alla scala macroscopica. In questo caso i campioni di carta vetrata vengono incollati al piano inclinato ed è importante che il pesetto che poniamo sopra di essi sia centrato rispetto al baricentro del rettangolo di carta.
Nella foro successiva potete invece vedere invece la posizione del gecko tape, scelta in modo da agevolare al massimo lo scivolamento ossia il distacco shear; per questo caso il pesetto dovrà il bordo allineato al bordo del gecko tape, sul lato che verrà sollevato in modo da evitare momenti meccanici e “ribaltamento.
Il posizionamento viene illustrato completamente nel successivo video dell’esperimento.
11- Piano inclinato: video dell’esperimento
12- Misure sul piano inclinato
La prova può essere quantitativa usando un piano inclinato dotato di goniometro o un goniometro esterno, in questo caso bisogna fissare un punto del brdo del piano inclinato che passa per il centro del goniometro e attorno acui verrà fatta avvenire la rotazione e segnare, con un pennarello indelebile, l’asse parallelo al piano e passante per quel punto
13 – peeling / shear test verticale
Riprendendo il fatto che per un adesivo si parla di forza di adesione in riferimento all’intensità della forza che deve essere applicata per provocare il distacco, tale forza può variare a seconda della direzione in cui viene applicata
![](https://www.nanolab.unimore.it/wp-content/uploads/2019/03/peeling-shear.png")
Nel video prima si dimostra l’elevata forza di adesione del gecko tape nel caso di trazione parallela al vetro di appoggio poi si mostra come il peeling sia……….
14 – Attrito i funzione del’area di contatto
Esperimento: confronto fra attrito alla macroscala (plexiglass su ferro) e alla microscala (gecko tape su ferro) al variare dell’area di contatto.
10- Attrito dinamico-Apparato sperimentale per il trascinamento automatico e l’acquisizione dei filmati
l’apparato comprende i seguenti elementi fondamentali:
- un piano orizzontale su cui poggia il campione di gecko tape su cui a sua volta vine posto il blocchetto in legno
- un sistema di trazione, nella foto automatico ma va benissimo anche manuale: l’unica accortezza è posizionare la forza di trazione il più possibile vicina al piano di appoggio (per ridurre i momenti) e mantenere la retta d’azione parallela al piano
Questo apparato è stato utilizzato principalmente per garantire
- Una velocità di trascinamento costante realizzata con una macchina della Pasco e monitorata attraverso il filmato della videocamera 2 che ha sullo sfondo un metro
- Acquisire filmati ad alta velocità del moto di scivolamento del blocchetto di legno per monitorare il tipo movimento rispetto al materiale sottostante
La videocamera due inquadra la scala del dinamometro e permette di monitorare le eventuali variazioni della forza di trazione.
Le misure possono però essere realizzate anche con un semplice trascinamento manuale da parte degli studenti, eventualmente un secondo studente può acquisire il filmato ad alta velocità del moto del blocchetto in legno utilizzando il proprio smartphone; l’unica accortezza è cercare di posizionare la videocamera del telefono il più possibile parallela al piano di trascinamento.
15 – Attrito dinamico -misure con trascinamento manuale-Video tutorial
Caratterizzazione microscopica
16 – Diffrazione su Gecko Tape- Layout di misura
Per le misure della costante reticolare occorre allineare molto bene lo schermo e il reticolo di diffrazione, che in questo caso è il gecko tape, inoltre il laser deve essere perpendicolare ad entrambi. Una volta realizzato l’allineamento geometrico schermo-gecko, ad esempio usando il metro, si può realizzare una regolazione del laser scegliendo la posizione in cui la figura di diffrazione risulta più nitida ed i massimi più ” a fuoco”
17 – Diffrazione su Gecko Tape – misura della costante reticolare
Una volta assicurato il perfetto parallelismo laser-gecko-schermo si procede alla misura della distanza fra gecko tape e schermo e a quella fra i massimi di diffrazione del primo ordine.
18- Microscopio ottico
Gli studenti Sono invitati a disegnare come immaginano la superficie del gecko Tape dopo ci che lo guardano al micriscopio ottico, in genere presente nelle scuole. Può andare bene anche un microscopio giocattolo o l’ingrandimento dell’ottica del cellulare realizzato con un kit macro.
Nella foto che segue sono state riportate le immagini al microscopio ottico su diversi piani di messa a fuoco, si vede l’effetto della bassa profondità di campo, tipica di questo strumento: nell’immagine 1 si vedono a fuoco solo delle “punte” poi da 2 a 6 si mettono a fuoco i punti dei piani sottostanti (o soprastanti?) evidenziando prima che la punta si “allarga” poi che compaiono altre forme che fanno immaginare strutture dimensioni non uniformi. L’ideale è che gli studenti possano effettivamente maneggiare un microscopio e verificare come l’immagnie cambi man mano che loro spostano il punto di messa a fuoco.
19- Microscopio elettronico
A questo punto si mostrano agli studenti alcune immagini del Gecko Tape ottenute con il microscopio elettronico che, grazie alla sua elevata profondità di campo consente di ottenere un’immagine tridimensionale del materiale. Risulta quindi evidente la struttura a colonne con sezione variabile; a partire da questa immagine si può ragionare con gli studenti sulle immagini del microscopio ottico che altro non sono che sezioni trasversali corrispondenti ai piani paralleli, delle fette come quelle delle immagini delle TAC mediche.
La foto (a) è presa dall’alto mostra come la sommità delle punte del gecko Tape non sia perfettamente piatta. Nella foto (b) si vede a sezione laterale del gecko tape e si nota che un lato è liscio ( a sinistra) mentre l’altro presenta queste microstrutture a forma di punta che però non hanno sezione rettangolare bensì un po’ irregolare con una sorta di piccolo piatto sula sommità.
Dal confronto fra la foto ESEM (b) e la foto del microscopio ottico (c) si può desumere che molto probabilmente quello che mette a fuoco la foto 1 sono le sommità delle punte poi, man mano che si passa alle foto successive del microscopio ottico,2,3… si iniziano a vedere le zone sottostanti. Si può far costruire un modello agli studenti, ad esempio con del Didò per capire meglio cosa si vede su ogni “fetta”
Simulazioni al computer
Si propone l’utilizzo delle simulazioni della Colorado University per far lavorare gli studenti sulle interazioni atomiche e molecolari e ragionare sulle forze. Ogni docente potrà preparare dei materiali didattici per guidare gli studenti nel loro utilizzo. Si consiglia di partire dalla
Simulazione delle forze interatomiche
E di passare successivamente alla simulazione delle
interazioni molecolari dovute all’effetto della polarità delle molecole.
