Nanotribologia e legami atomici

spidermanIl segreto dell’Uomo Ragno

Big idea “L’attrito gioca un ruolo fondamentale nella vita quotidiana e nell’economia: circa un terzo del consumo delle attuali risorse energetiche mondiali è riconducibile a qualche forma di attrito. Lo studio dei fenomeni alla nanoscala ha nuove prospettive su questo fenomeno complesso.

Guida Docente

Alla micro e nanoscala l’adesione e l’attrito coinvolgono direttamente le interazioni atomiche e molecolari connesse al concetto di superficie reale di contatto, a causa di ciò le strutture gerarchiche modificano in modo significativo, e regolabile, il coefficiente d’attrito di un materiale e sono un mezzo per accedere alla comprensione delle interazioni di superficie, a loro volta cruciali tanto nella ricerca di base quanto in ambito tecnologico.
Prendendo spunto dalle proprietà inconsuete di un adesivo strutturale, il Gecko Tape, viene approfondito il tema dell’ attrito e dell’adesione attraverso osservazioni qualitive e misure quantitative.
Il gecko tape è un materiale che copia le caratteristiche dei gecki, graziosi animaletti in grado di correre sui muri e rimanere appesi al soffitto… potremmo farlo anche noi e diventare come Spiderman?
Vengono testate le proprietà sottovuoto, la dipendenza dall’area di contatto e l’attrito dinamico.

I laboratori

1 – Adesione alla nanoscala-il segreto della spada nella roccia

Quale potrebbe essere il segreto per estrarre la spada dalla roccia?
I cavalieri più forti non sono riusciti mentre il gracile Semola la estrae senza nessuna fatica: qualcosa di simile accade con l’adesivo strutturale Gecko tape;privo di colla aderisce alle superfici grazie alle forze di Van der Waals; la forza necessaria per staccarlo (adesione) è pressochè nulla nella direzione perpendicolare alla superficie ed è alevatissima tangenzialmente.
Durante la manipolazione il gecko tape viene confrontato con comuni adesivi come il nastro da pacco e gli studenti sono guidati a formulare ipotesi sui meccanismi di adesione del gecko tape.

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2 – Gecko Tape- Adesione sottovuoto

Dopo la manipolazione del materiale gli studenti formulano ipotesi sul meccanismo di adesione e fra le possibili proposte in genere qualcuno suggerisce che il materiale aderisca come una ventosa,il docnte può stimolare la riflessione e far pensare agli studenti a come verificare questa ipotesi: se il funzionamento dipendesse da tante micro ventose sottovuoto dovrebbe fallire. l’esperimento richiede macchina per il vuoto ed perciò una dimostrazione alla cattedra ma può essere più coinvolgente se si invitano alcuni studenti a filmarlo con il cellulare.

Caratteristiche

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3–Gecko tape- attrito e adesione-layout verticale


Il gecko viene fatto aderire ad una lastra di vetro perfettamente verticale poi caricato con pesi via via crescenti, la trazione perfettamente parallela al piano del vetro evidenzia la straordinaria tenuta dell’adesivo quando sollecitato con una forza tangenziale alla superficie di contatto (adesione shear); in modo analogo gli studenti possono verificare l’estrema facilità con cui avviene il distacco se il materiale viene invece tirato perpendicolarmente al piano di appoggio. Variando l’area di adesione del materiale è possibile stimare la dipendenza della forza di attrito dalla superficie; contestualmente gli studenti possono misurare l’allungamento del materiale al variare del peso applicato ed effettuare una stima della suo modulo di Young (elasticità).

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4–Gecko tape- attrito e adesione-layout piano inclinato

Si vuole testare la dipendenza della forza d’attrito dall’area di contatto confrontando il comportamento alla microscala (alluminio su gecko tape) con quello alla macroscala (alluminio su carta vetrata)
Si tratta di una prova classica sull’attrito: il campione viene fissato al piano inclinato e su di esso si pone un pesetto in alluminio, si inclina poi il piano fino al punto di distacco e si misura il corrispondente angolo.
La prova viene effettuata confrontando almeno quattro diverse superfici e richiede una buona statistica ma ogni singola prova è molto veloce ed offre la possibilità di testare materiali diversi con lo stesso apparato.

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5–Gecko tape- attrito e adesione-layout orizzontale

Anche in questo caso si vuole testare la dipendenza della forza d’attrito dall’area di contatto confrontando il comportamento alla microscala (alluminio su gecko tape) con quello alla macroscala (legno su carta vetrata).
Il gecko viene fatto aderire ad una lastra di vetro e poi caricato con pesi via via crescenti, la trazione perfettamente parallela al piano viene realizzata con l’ausilio di una carrucola. La prova viene ripetuta con la carta vetrata che aderisce al vetro attraverso nastro biadesivo.
Rispetto alla prova con il piano inclinato questo layout consente di testare un più ampio intervallo di valori dell’area di contatto ed offre risultati quantitativamente migliori, per contro l’apparato èpiù complesso del caso precedente ed i tempi di misura sono piuttosto lunghi

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