NanoLab: le nanoscienze in laboratorio.
Corso di aggiornamento teorico-pratico su nanoscienze e nanotecnologie per docenti di materie scientifiche
Università degli Studi
di Modena e Reggio E.
Nanotribologia,
superfici nanostrutturate
effetto geco; effetto lotus
Dip. di Fisica UniMoRe
- Progetto Lauree Scientifiche – NanoLab
www.nanolab.unimore.it
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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 ...
●
2
La macrotribologia
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
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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
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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
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Procedura
●
indipendente dalla superficie di contatto
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Procedura
●
proporzionale alla forza normale
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Grafico del valore della forza di attrito radente in funzione della
forza applicata. Si noti il passaggio da attrito statico ad attrito
dinamico, coincidente con l'inizio del moto del corpo-Wikipedia
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Procedura
distinto in attrito statico e attrito dinamico
Begli esperimenti col sonar riguardanti il
calcolo/confronto dei due coeff. D'attrito
statico e dinamico
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8393
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indipendente dalla velocità di scivolamento
approssimazione valida normalmente al di sotto dei 20 m/s oltre il quale diminuisce.
la forza frenante dipende solo dal coefficiente µrd e dalla forza che preme il tamburo sul cerchione
o la pastiglia sul disco, mentre è indipendente dall'estensione dell'area di quest'ultimo (da questa
superficie dipende invece il suo logoramento) e dalla velocità di strisciamento tra pastiglia e disco
(se non fosse così la frenata non avrebbe sempre la stessa efficacia). In condizioni di velocità
superiore ai 100 km/h però il guidatore sperimenta una minor presa delle pastiglie sul disco, o del
tamburo sul cerchione.
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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
Sfruttano il “Wow factor” ; il piacere della scoperta
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
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Superficie reale di contatto
Chi ha la maggior area di
contatto (reale)?
●Calcolare il rapporto area di
contatto/ area totale
●
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Superficie reale di contatto
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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'attrito
Blow-up immgini del nanomondo
G. Gazzadi
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http://www.nano-world.org/frictionmodule/content/0400tomlinson/?lang=en
la spiegazione quantistica dell'attrito ne lega le cause all'interazione elettrostatica attrattiva tra le
molecole delle superfici di contatto, come evidente nel modello di Tomlinson.
l modello di Tomlinson è un modello fenomenologico introdotto nel 1929 dal fisico inglese G.A.
Tomlinson e usato per interpretare l'attrito su scala atomica.
In pratica, una punta è trascinata da una molla sopra un potenziale ondulato, che descrive
l'interazione della punta con il reticolo cristallino sottostante. Per descrivere il rapporto tra la
corrugazione del potenziale e l'energia elastica della molla si può introdurre un parametro η. Se
l'interazione punta-reticolo è descritta da un potenziale con ampiezza V0 e periodicità a:
\eta=\frac{4\pi^2 V_0}{ka^2},
dove k è la costante elastica della molla.
Se η<1 la punta è trascinata in modo continuo (regime di superlubrificazione). Se η>1 il moto
della
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punta consiste in periodi di riposo nei minimi del potenziale, ai quali si alternano salti improvvisi tra
questi minimi (regime di stick-slip) [1].
“Adesione”
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Post it SEM
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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
http://vimeo.com/3298046
5) elettricità statica
6) capillarità
7) van der Waals
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Geco sintetico
Dal fatto che l'adesività del geco sia stata riportata alla adesione asciutta, dovuta alle forze di van
der Waals, discendono alcune importanti conseguenze. Prima fra tutte il fatto che non si tratta di
un fenomeno influenzato dalla chimica delle superfici quanto dalla geometria delle stesse
(distanze tra superfici diverse, dimensioni e forma). In particolare ciò significa che dovremmo
essere capaci di fabbricare modelli sintetici delle spatole del geco la cui superficie, pur differendo
per il materiale di cui è costituita, ha comunque uguale efficacia adesiva. polimeri, nanotubi di
carbonio
Sticky bot
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Immagini SEM
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Il geco nanopad
Test method shear adhesion
news_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
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Il geco nanopad
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 .
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:
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Il geco nanopad
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