フラクタル表面を有するヒドロゲル基材の摩擦ダイナミクス。厚さの効果

Friction Dynamics of Hydrogel Substrates with a Fractal Surface: Effects of Thickness.

• Koki Shinomiya
• Hina Okawara
• Kei Kikuchi
• Hiroyuki Mayama
• Yoshimune Nonomura

抄録

ハイドロゲルのような軟質材料や湿潤材料の界面現象は、親水性生体表面における摩擦、湿潤、接着などの物理現象をモデル化する上で重要である。軟質材料表面の界面現象は、表面の特性だけでなく、基材の形状にも影響を受けます。しかし、ゲル界面における摩擦挙動に形状や変形性が及ぼす影響についての報告は少ない。本研究では、上側の寒天ゲル層の厚さ（）が、正弦波運動下でのゲル間摩擦力に及ぼす影響を評価した。摩擦力やパターンには大きな影響を与えないが、接触プローブの動きに対する摩擦力応答の正規化されたタイムラグである正規化遅延時間(δ)は、.x3とともに増加する。δとの間の回帰分析を行うと、δは .NET と共に直線的に増加することがわかります。実験結果を定性的に説明するために、せん断弾性率を組み込んだ簡単なモデルを提示します。この解析と我々のモデルは、ゲル-表面界面での摩擦挙動を研究する際には、接着性などの表面特性だけでなく、厚さや剛性も考慮する必要があることを示している。これらの知見は、舌、喉、食道、腸などの軟らかい生体システムにおける摩擦現象の理解に役立つものと期待されます。

Interfacial phenomena on soft and wet materials, such as hydrogels, are important for modeling physical phenomena, such as friction, wetting, and adhesion on hydrophilic biosurfaces. Interfacial phenomena on soft material surfaces are not only affected by the properties of the surface but also by the geometry of the substrate. However, there are few reports on the influence of geometry and deformability on friction behavior at gel interfaces. In this study, we evaluate the effects of the thickness () of the upper agar gel layer on the friction force between gels under a sinusoidal movement. Although does not significantly affect the friction force or pattern, the normalized delay time (δ), which is the normalized time lag in the friction force response to the contact probe's movement, increases with . A regression analysis between δ and shows that δ increased linearly with . We present a simple model incorporating a shear modulus to qualitatively explain the experimental results. The analysis and our model indicate that one must not only consider surface properties, such as adhesion, but also thickness and rigidity when studying friction behavior at the gel-surface interface. These findings will be useful for understanding friction phenomena on soft biological systems, such as the tongue, throat, esophagus, and gut surfaces.

Copyright © 2020 American Chemical Society.