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Friction Dynamics of Hydrogel Substrates with a Fractal Surface: Effects of Thickness.
ACS Omega ( IF 3.7 ) Pub Date : 2020-06-30 , DOI: 10.1021/acsomega.9b04184 Koki Shinomiya 1 , Hina Okawara 1 , Kei Kikuchi 1 , Hiroyuki Mayama 2 , Yoshimune Nonomura 1
ACS Omega ( IF 3.7 ) Pub Date : 2020-06-30 , DOI: 10.1021/acsomega.9b04184 Koki Shinomiya 1 , Hina Okawara 1 , Kei Kikuchi 1 , Hiroyuki Mayama 2 , Yoshimune Nonomura 1
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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 (H) of the upper agar gel layer on the friction force between gels under a sinusoidal movement. Although H 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 H. A regression analysis between δ and H shows that δ increased linearly with H. 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.
中文翻译：
具有分形表面的水凝胶基底的摩擦动力学：厚度的影响。
软湿材料（例如水凝胶）上的界面现象对于模拟物理现象（例如亲水生物表面上的摩擦、润湿和粘附）非常重要。软材料表面的界面现象不仅受到表面性质的影响，还受到基材几何形状的影响。然而，关于几何形状和变形能力对凝胶界面摩擦行为的影响的报道很少。在本研究中，我们评估了上琼脂凝胶层的厚度 ( H ) 对正弦运动下凝胶之间的摩擦力的影响。尽管H不会显着影响摩擦力或模式，但归一化延迟时间 (δ)（摩擦力响应接触探针运动的归一化时间滞后）会随着H 的增加而增加。 δ 和H之间的回归分析表明，δ 随H线性增加。我们提出了一个结合剪切模量的简单模型来定性解释实验结果。分析和我们的模型表明，在研究凝胶-表面界面的摩擦行为时，不仅必须考虑表面特性，例如粘附力，还必须考虑厚度和刚性。这些发现将有助于理解软生物系统（例如舌头、喉咙、食道和肠道表面）的摩擦现象。
更新日期：2020-07-14
中文翻译：
具有分形表面的水凝胶基底的摩擦动力学：厚度的影响。
软湿材料（例如水凝胶）上的界面现象对于模拟物理现象（例如亲水生物表面上的摩擦、润湿和粘附）非常重要。软材料表面的界面现象不仅受到表面性质的影响，还受到基材几何形状的影响。然而，关于几何形状和变形能力对凝胶界面摩擦行为的影响的报道很少。在本研究中，我们评估了上琼脂凝胶层的厚度 ( H ) 对正弦运动下凝胶之间的摩擦力的影响。尽管H不会显着影响摩擦力或模式，但归一化延迟时间 (δ)（摩擦力响应接触探针运动的归一化时间滞后）会随着H 的增加而增加。 δ 和H之间的回归分析表明，δ 随H线性增加。我们提出了一个结合剪切模量的简单模型来定性解释实验结果。分析和我们的模型表明，在研究凝胶-表面界面的摩擦行为时，不仅必须考虑表面特性，例如粘附力，还必须考虑厚度和刚性。这些发现将有助于理解软生物系统（例如舌头、喉咙、食道和肠道表面）的摩擦现象。
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