Adhesión


La adhesión es la tendencia de partículas o superficies diferentes a adherirse entre sí (la cohesión se refiere a la tendencia de partículas / superficies similares o idénticas a adherirse entre sí).

Gotas de rocío adheridas a una telaraña
Adhesión de una rana sobre una superficie de vidrio vertical húmeda.
Definición IUPAC
Proceso de unión de una sustancia a la superficie de otra sustancia.

Nota 1 : La adhesión requiere energía que puede provenir de
enlaces químicos y / o físicos , siendo estos últimos reversibles cuando se aplica suficiente energía.

Nota 2 : En biología, la adhesión refleja el comportamiento de las células poco después del contacto
con la superficie.

Nota 3 : En cirugía, la adhesión se utiliza cuando dos tejidos se fusionan inesperadamente. [1]

Las fuerzas que provocan la adhesión y la cohesión se pueden dividir en varios tipos. Las fuerzas intermoleculares responsables de la función de varios tipos de pegatinas y cintas adhesivas se clasifican en las categorías de adhesión química , adhesión dispersiva y adhesión difusa . Además de las magnitudes acumulativas de estas fuerzas intermoleculares, también hay ciertos efectos mecánicos emergentes .

Diagrama de varios casos de escisión, con cada especie única etiquetada.
A : γ = (1/2) W 11
B : W 12 = γ 1 + γ 2 - γ 12
C : γ 12 = (1/2) W 121 = (1/2) W 212
D : W 12 + W 33 - Ancho 13 - Ancho 23 = Ancho 132 .

La energía superficial se define convencionalmente como el trabajo que se requiere para construir un área de una superficie particular . Otra forma de ver la energía superficial es relacionarla con el trabajo requerido para escindir una muestra a granel, creando dos superficies. Si las nuevas superficies son idénticas, la energía superficial γ de cada superficie es igual a la mitad del trabajo de escisión, W: γ = (1/2) W 11 .

Si las superficies son desiguales, se aplica la ecuación de Young-Dupré : W 12 = γ 1 + γ 2 - γ 12 , donde γ 1 y γ 2 son las energías superficiales de las dos nuevas superficies y γ 12 es la energía interfacial.

Esta metodología también se puede utilizar para discutir la escisión que ocurre en otro medio: γ 12 = (1/2) W 121 = (1/2) W 212 . Estas dos cantidades de energía se refieren a la energía que se necesita para dividir una especie en dos partes mientras está contenida en un medio de la otra especie. Del mismo modo, para un sistema de tres especies: γ 13 + γ 23 - γ 12 = W 12 + W 33 - W 13 - W 23 = W 132 , donde W 132 es la energía de escindir la especie 1 de la especie 2 en un medio de la especie 3 . [2]

Una comprensión básica de la terminología de energía de escisión , energía superficial y tensión superficial es muy útil para comprender el estado físico y los eventos que suceden en una superficie determinada, pero como se analiza a continuación, la teoría de estas variables también produce algunos efectos interesantes que se refieren a la practicidad de las superficies adhesivas en relación con su entorno. [2]

No existe una teoría única que cubra la adhesión, y los mecanismos particulares son específicos para escenarios de materiales particulares. Se han propuesto cinco mecanismos de adhesión para explicar por qué un material se pega a otro:

Mecánico

Los materiales adhesivos llenan los huecos o poros de las superficies y mantienen las superficies juntas entrelazándose . Se observan otros fenómenos entrelazados en diferentes escalas de longitud. La costura es un ejemplo de dos materiales que forman una unión mecánica a gran escala, el velcro forma uno a escala media y algunos adhesivos textiles (pegamento) forman uno a pequeña escala.

Químico

Dos materiales pueden formar un compuesto en la junta. Las uniones más fuertes son donde los átomos de los dos materiales comparten o intercambian electrones (conocidos respectivamente como enlace covalente o enlace iónico ). Se forma un enlace más débil si un átomo de hidrógeno en una molécula es atraído por un átomo de nitrógeno , oxígeno o flúor en otra molécula, un fenómeno llamado enlace de hidrógeno .

La adhesión química ocurre cuando los átomos de la superficie de dos superficies separadas forman enlaces iónicos, covalentes o de hidrógeno. El principio de ingeniería detrás de la adhesión química en este sentido es bastante sencillo: si las moléculas de la superficie pueden unirse, las superficies se unirán entre sí mediante una red de estos enlaces. Vale la pena mencionar que estas fuerzas iónicas y covalentes atractivas son efectivas solo en distancias muy pequeñas, menos de un nanómetro . Esto significa, en general, no solo que las superficies con potencial de unión química deben acercarse mucho entre sí, sino también que estas uniones son bastante frágiles, ya que las superficies deben mantenerse juntas. [3]

Dispersivo

En la adhesión dispersiva, también conocida como fisisorción , dos materiales se mantienen unidos por las fuerzas de van der Waals : la atracción entre dos moléculas, cada una de las cuales tiene una región de carga levemente positiva y negativa. En el caso simple, tales moléculas son polares con respecto a la densidad de carga promedio , aunque en moléculas más grandes o más complejas, puede haber múltiples "polos" o regiones de mayor carga positiva o negativa. Estos polos positivos y negativos pueden ser una propiedad permanente de una molécula ( fuerzas de Keesom ) o un efecto transitorio que puede ocurrir en cualquier molécula, ya que el movimiento aleatorio de electrones dentro de las moléculas puede resultar en una concentración temporal de electrones en una región ( Londres fuerzas ).

La cohesión hace que el agua forme gotas , la tensión superficial hace que sean casi esféricas y la adhesión mantiene las gotas en su lugar.
Las gotas de agua son más planas en una flor de hibisco que muestra una mejor adherencia.

En la ciencia de superficies , el término adherencia casi siempre se refiere a adherencia dispersiva. En un sistema típico sólido-líquido-gas (como una gota de líquido sobre un sólido rodeado de aire), el ángulo de contacto se usa para evaluar la adhesividad indirectamente, mientras que una balanza de adhesión centrífuga permite mediciones de adhesión cuantitativas directas. Generalmente, los casos en los que el ángulo de contacto es bajo se consideran de mayor adherencia por unidad de área. Este enfoque supone que el ángulo de contacto más bajo corresponde a una energía superficial más alta. [4] Teóricamente, la relación más exacta entre el ángulo de contacto y el trabajo de adhesión es más complicada y está dada por la ecuación de Young-Dupre . El ángulo de contacto del sistema trifásico es una función no solo de la adhesión dispersiva (interacción entre las moléculas en el líquido y las moléculas en el sólido) sino también de la cohesión (interacción entre las propias moléculas del líquido). La adhesión fuerte y la cohesión débil dan como resultado un alto grado de humectación , una condición liofílica con ángulos de contacto medidos bajos. Por el contrario, la adhesión débil y la cohesión fuerte dan como resultado condiciones liofóbicas con ángulos de contacto medidos altos y humectación pobre.

Las fuerzas de dispersión de London son particularmente útiles para la función de los dispositivos adhesivos , porque no requieren que ninguna de las superficies tenga polaridad permanente. Fueron descritos en la década de 1930 por Fritz London y han sido observados por muchos investigadores. Las fuerzas dispersivas son una consecuencia de la mecánica cuántica estadística . London teorizó que las fuerzas de atracción entre moléculas que no pueden explicarse por la interacción iónica o covalente pueden ser causadas por momentos polares dentro de las moléculas. Los multipolares podrían explicar la atracción entre moléculas que tienen momentos multipolares permanentes que participan en la interacción electrostática . Sin embargo, los datos experimentales mostraron que muchos de los compuestos observados que experimentaron las fuerzas de van der Waals no tenían ningún multipolo. London sugirió que los dipolos momentáneos se inducen simplemente en virtud de que las moléculas están próximas entre sí. Al resolver el sistema mecánico cuántico de dos electrones como osciladores armónicos a una distancia finita entre sí, desplazados sobre sus respectivas posiciones de reposo e interactuando con los campos de cada uno, London demostró que la energía de este sistema está dada por:

Mientras que el primer término es simplemente la energía de punto cero , el segundo término negativo describe una fuerza de atracción entre osciladores vecinos. El mismo argumento también puede extenderse a un gran número de osciladores acoplados y, por lo tanto, evita cuestiones que negarían los efectos atractivos a gran escala de los dipolos permanentes que se cancelan a través de la simetría, en particular.

La naturaleza aditiva del efecto de dispersión tiene otra consecuencia útil. Considere un solo dipolo dispersivo , denominado dipolo de origen. Dado que cualquier dipolo de origen está inherentemente orientado para ser atraído por los dipolos adyacentes que induce, mientras que los otros dipolos más distantes no están correlacionados con el dipolo original por ninguna relación de fase (por lo tanto, en promedio, no contribuyen en nada), hay un atractivo neto. fuerza en la mayor parte de tales partículas. Cuando se consideran partículas idénticas, esto se denomina fuerza cohesiva. [5]

Cuando se habla de adhesión, esta teoría debe convertirse en términos relacionados con las superficies. Si hay una energía de cohesión atractiva neta en un volumen de moléculas similares, la división de este volumen para producir dos superficies producirá superficies con una energía superficial dispersiva, ya que la forma de la energía sigue siendo la misma. Esta teoría proporciona una base para la existencia de fuerzas de van der Waals en la superficie, que existen entre cualquier molécula que tenga electrones . Estas fuerzas se observan fácilmente a través del salto espontáneo de superficies lisas al contacto . Las superficies lisas de mica , oro, varios polímeros y soluciones de gelatina sólida no se separan cuando su separación se vuelve lo suficientemente pequeña, del orden de 1 a 10 nm. La ecuación que describe estas atracciones fue predicha en la década de 1930 por De Boer y Hamaker: [3]

donde P es la fuerza (negativa para la atracción), z es la distancia de separación y A es una constante específica del material llamada constante de Hamaker .

Las dos etapas del colapso de la microestructura de PDMS debido a las atracciones de van der Waals. El sello de PDMS está indicado por la región sombreada y el sustrato está indicado por la región sombreada. A) El sello PDMS se coloca sobre un sustrato con el "techo" elevado. B) Las atracciones de Van der Waals hacen que el colapso del techo sea energéticamente favorable para el sello PDMS.

El efecto también es evidente en experimentos en los que se fabrica un sello de polidimetilsiloxano (PDMS) con pequeñas estructuras de poste periódicas. La superficie con los postes se coloca boca abajo sobre una superficie lisa, de modo que el área de la superficie entre cada poste se eleva por encima de la superficie lisa, como un techo sostenido por columnas. Debido a estas atractivas fuerzas dispersivas entre el PDMS y el sustrato liso, la superficie elevada - o “techo” - colapsa sobre el sustrato sin ninguna fuerza externa aparte de la atracción de van der Waals. [6] Las superficies de polímero lisas y simples , sin microestructuras , se utilizan comúnmente para estas propiedades adhesivas dispersivas. Las calcomanías y pegatinas que se adhieren al vidrio sin usar ningún adhesivo químico son bastante comunes como juguetes y decoraciones y útiles como etiquetas removibles porque no pierden rápidamente sus propiedades adhesivas, al igual que las cintas adhesivas que usan compuestos químicos adhesivos.

Es importante tener en cuenta que estas fuerzas también actúan en distancias muy pequeñas: el 99% del trabajo necesario para romper los enlaces de van der Waals se realiza una vez que las superficies se separan más de un nanómetro. [3] Como resultado de este movimiento limitado tanto en situaciones de enlace van der Waals como iónico / covalente, la efectividad práctica de la adhesión debido a una o ambas de estas interacciones deja mucho que desear. Una vez que se inicia una grieta, se propaga fácilmente a lo largo de la interfaz debido a la naturaleza frágil de los enlaces interfaciales. [7]

Como consecuencia adicional, el aumento de la superficie a menudo no mejora la resistencia de la adhesión en esta situación. Esto se deriva de la falla de la grieta antes mencionada: la tensión en la interfaz no se distribuye uniformemente, sino que se concentra en el área de la falla. [3]

Electrostático

Algunos materiales conductores pueden pasar electrones para formar una diferencia en la carga eléctrica en la articulación. Esto da como resultado una estructura similar a un condensador y crea una fuerza electrostática atractiva entre los materiales.

Difusivo

Algunos materiales pueden fusionarse en la articulación por difusión . Esto puede ocurrir cuando las moléculas de ambos materiales son móviles y solubles entre sí. Esto sería particularmente eficaz con cadenas de polímero en las que un extremo de la molécula se difunde en el otro material. También es el mecanismo involucrado en la sinterización . Cuando los polvos de metal o cerámica se presionan y se calientan, los átomos se difunden de una partícula a la siguiente. Esto une las partículas en una.

La interfaz está indicada por la línea de puntos. A) Los polímeros no reticulados son algo libres de difundirse a través de la interfaz. Un asa y dos colas distales se ven en difusión. B) Polímeros reticulados no suficientemente libres para difundirse. C) Polímeros "cortados" muy libres, con muchas colas que se extienden a través de la interfaz.

Las fuerzas de difusión son algo así como un anclaje mecánico a nivel molecular. La unión difusiva ocurre cuando las especies de una superficie penetran en una superficie adyacente mientras aún están unidas a la fase de su superficie de origen. Un ejemplo instructivo es el de las superficies de polímero sobre polímero. La unión por difusión en superficies de polímero sobre polímero es el resultado de secciones de cadenas de polímero de una superficie que se interdigitan con las de una superficie adyacente. La libertad de movimiento de los polímeros tiene un fuerte efecto sobre su capacidad para interdigitarse y, por tanto, sobre la unión por difusión. Por ejemplo, los polímeros reticulados son menos capaces de difundirse e interdigitarse porque están unidos entre sí en muchos puntos de contacto y no pueden torcerse libremente en la superficie adyacente. Los polímeros no reticulados ( termoplásticos ), por otro lado, son más libres de deambular hacia la fase adyacente al extender colas y bucles a través de la interfaz.

Otra circunstancia en la que se produce la unión difusiva es la "escisión". La escisión de cadena es el corte de cadenas de polímero, lo que resulta en una mayor concentración de colas distales . La concentración elevada de estos extremos de cadena da lugar a una concentración elevada de colas de polímero que se extienden a través de la interfaz. La escisión se logra fácilmente mediante irradiación ultravioleta en presencia de gas oxígeno, lo que sugiere que los dispositivos adhesivos que emplean unión por difusión se benefician realmente de la exposición prolongada al calor / luz y aire. Cuanto más tiempo esté expuesto un dispositivo de este tipo a estas condiciones, más colas se cortan y se ramifican en la interfaz.

Una vez cruzada la interfaz, las colas y los bucles forman los enlaces favorables. En el caso de superficies de polímero sobre polímero, esto significa más fuerzas de van der Waals. Si bien estos pueden ser frágiles, son bastante fuertes cuando se forma una gran red de estos enlaces. La capa más externa de cada superficie juega un papel crucial en las propiedades adhesivas de tales interfaces, ya que incluso una pequeña cantidad de interdigitación, tan solo una o dos colas de 1,25 angstrom de longitud, puede aumentar los enlaces de van der Waals en un orden de magnitud. . [8]

La fuerza de la adhesión entre dos materiales depende de cuál de los mecanismos anteriores se produce entre los dos materiales y del área de la superficie sobre la que entran en contacto los dos materiales. Los materiales que se mojan entre sí tienden a tener un área de contacto más grande que los que no lo hacen. La humectación depende de la energía superficial de los materiales.

Los materiales de baja energía superficial como el polietileno , polipropileno , politetrafluoroetileno y polioximetileno son difíciles de unir sin una preparación especial de la superficie.

Otro factor que determina la fuerza de un contacto adhesivo es su forma. Los contactos adhesivos de forma compleja comienzan a desprenderse en los "bordes" del área de contacto. [9] El proceso de destrucción de los contactos adhesivos se puede ver en la película. [10]

Junto con las fuerzas superficiales primarias descritas anteriormente, hay varios efectos circunstanciales en juego. Si bien cada una de las fuerzas contribuye a la magnitud de la adherencia entre las superficies, lo siguiente juega un papel crucial en la resistencia y confiabilidad generales de un dispositivo adhesivo.

Encadenamiento

Proceso de digitación. El área sombreada es el sustrato receptor, la tira punteada es la cinta y el área sombreada en el medio es la capa química adhesiva. La flecha indica la dirección de propagación de la fractura.

El encordado es quizás el más importante de estos efectos y se ve a menudo en cintas adhesivas. El encadenamiento se produce cuando comienza una separación de dos superficies y las moléculas de la interfaz forman un puente a través del espacio, en lugar de agrietarse como la propia interfaz. La consecuencia más significativa de este efecto es la contención de la fisura. Al proporcionar un poco de flexibilidad a los enlaces interfaciales que de otro modo serían frágiles, las moléculas que se encadenan a través del espacio pueden detener la propagación de la grieta. [3] Otra forma de entender este fenómeno es comparándolo con la concentración de tensión en el punto de falla mencionado anteriormente. Dado que la tensión ahora se extiende sobre un área, la tensión en cualquier punto dado tiene menos posibilidades de abrumar la fuerza adhesiva total entre las superficies. Si ocurre una falla en una interfaz que contiene un agente adhesivo viscoelástico y una grieta se propaga, ocurre mediante un proceso gradual llamado "digitación", en lugar de una fractura rápida y quebradiza. [7] El encordado puede aplicarse tanto al régimen de unión por difusión como al régimen de unión química. Las cadenas de moléculas que atraviesan el espacio serían las moléculas que se habían difundido anteriormente a través de la interfaz o el adhesivo viscoelástico, siempre que hubiera un volumen significativo en la interfaz.

Microestructuras

Se sabe que la interacción de los mecanismos de escala molecular y las estructuras superficiales jerárquicas da como resultado altos niveles de fricción estática y unión entre pares de superficies. [11] Los dispositivos adhesivos tecnológicamente avanzados a veces hacen uso de microestructuras en superficies, como postes periódicos muy compactos. Estas son tecnologías biomiméticas inspiradas en las habilidades adhesivas de los pies de varios artrópodos y vertebrados (más notablemente, geckos ). Al entremezclar roturas periódicas en superficies lisas y adhesivas, la interfaz adquiere valiosas propiedades de detención de grietas. Debido a que la iniciación de la fisura requiere una tensión mucho mayor que la propagación de la fisura, superficies como estas son mucho más difíciles de separar, ya que una nueva fisura debe reiniciarse cada vez que se alcanza la siguiente microestructura individual. [12]

Histéresis

Histéresis , en este caso, se refiere a la reestructuración de la interfaz adhesiva durante un período de tiempo, con el resultado de que el trabajo necesario para separar dos superficies es mayor que el trabajo que se ganó al unirlas (W> γ 1 + γ 2 ). En su mayor parte, este es un fenómeno asociado con la unión difusiva. Cuanto más tiempo se dé para reestructurar un par de superficies que exhiben unión por difusión, más difusión ocurrirá y más fuerte será la adhesión. La reacción antes mencionada de ciertas superficies de polímero sobre polímero a la radiación ultravioleta y al gas oxígeno es un ejemplo de histéresis, pero también sucederá con el tiempo sin esos factores.

Además de poder observar la histéresis determinando si W> γ 1 + γ 2 es verdadera, también se puede encontrar evidencia de ello realizando mediciones de “parada-inicio”. En estos experimentos, dos superficies se deslizan una contra la otra continuamente y ocasionalmente se detienen durante un período de tiempo medido. Los resultados de experimentos en superficies de polímero sobre polímero muestran que si el tiempo de parada es lo suficientemente corto, la reanudación del deslizamiento suave es fácil. Sin embargo, si el tiempo de parada excede algún límite, hay un aumento inicial de la resistencia al movimiento, lo que indica que el tiempo de parada fue suficiente para que las superficies se reestructuraran. [8]

Mojabilidad y absorción

Algunos efectos atmosféricos sobre la funcionalidad de los dispositivos adhesivos se pueden caracterizar siguiendo la teoría de la energía superficial y la tensión interfacial . Se sabe que γ 12 = (1/2) W 121 = (1/2) W 212 . Si γ 12 es alto, entonces a cada especie le resulta favorable unirse mientras está en contacto con una especie extraña, en lugar de disociarse y mezclarse con la otra. Si esto es cierto, entonces se deduce que cuando la tensión interfacial es alta, la fuerza de adhesión es débil, ya que a cada especie no le resulta favorable unirse a la otra. La tensión interfacial de un líquido y un sólido está directamente relacionada con la humectabilidad del líquido (en relación con el sólido), por lo que se puede extrapolar que la cohesión aumenta en los líquidos no humectantes y disminuye en los líquidos humectantes. Un ejemplo que lo verifica es el caucho de polidimetilsiloxano , que tiene un trabajo de autoadhesión de 43,6 mJ / m 2 en aire, 74 mJ / m 2 en agua (un líquido no humectante) y 6 mJ / m 2 en metanol (un humectante líquido).

Este argumento puede extenderse a la idea de que cuando una superficie está en un medio con el que la unión es favorable, será menos probable que se adhiera a otra superficie, ya que el medio está ocupando los sitios potenciales en la superficie que de otro modo estarían disponibles. adherirse a otra superficie. Naturalmente, esto se aplica con mucha fuerza a los líquidos humectantes, pero también a las moléculas de gas que podrían adsorberse sobre la superficie en cuestión, ocupando así sitios de adhesión potenciales. Este último punto es bastante intuitivo: dejar un adhesivo expuesto al aire durante demasiado tiempo lo ensucia y su fuerza adhesiva disminuirá. Esto se observa en el experimento: cuando la mica se escinde en el aire, su energía de escisión, W 121 o W mica / aire / mica , es menor que la energía de escisión en el vacío, W mica / vac / mica , en un factor de 13. [3]

Adhesión lateral

La adhesión lateral es la adhesión asociada con el deslizamiento de un objeto sobre un sustrato, como deslizar una gota sobre una superficie. Cuando los dos objetos son sólidos, con o sin líquido entre ellos, la adherencia lateral se describe como fricción . Sin embargo, el comportamiento de la adherencia lateral entre una gota y una superficie es tribológicamente muy diferente del rozamiento entre sólidos, y el contacto adhesivo natural entre una superficie plana y una gota de líquido hace que la adherencia lateral, en este caso, sea un campo individual. La adhesión lateral se puede medir usando el balance de adhesión centrífuga (CAB), [13] [14] que usa una combinación de fuerzas centrífugas y gravitacionales para desacoplar las fuerzas normales y laterales en el problema.

  • Adhesivo
  • Pegamento adhesivo
  • Adhesina bacteriana
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  • Mecánicos de contacto
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  • Adhesión de insectos
  • Menisco
  • Mucoadhesión
  • Adhesivo sensible a la presión
  • Adhesión ferroviaria
  • Setas sintéticas
  • Mojada
  • Número de cohesión

  1. ^ Vert, Michel; Doi, Yoshiharu; Hellwich, Karl-Heinz; Hess, Michael; Hodge, Philip; Kubisa, Przemyslaw; Rinaudo, Marguerite; Schué, François (2012). "Terminología para polímeros y aplicaciones biorrelacionados (Recomendaciones IUPAC 2012)" (PDF) . Química pura y aplicada . 84 (2): 377–410. doi : 10.1351 / PAC-REC-10-12-04 .
  2. ^ a b J. N. Israelachvili, Fuerzas intermoleculares y superficiales (Academic Press, Nueva York, 1985). Cap. 15.
  3. ^ a b c d e f K. Kendall (1994). "Adhesión: moléculas y mecánica". Ciencia . 263 (5154): 1720–5. doi : 10.1126 / science.263.5154.1720 . PMID  17795378 .
  4. ^ Laurén, Susanna. "¿Qué se requiere para una buena adhesión?" . blog.biolinscientific.com . Consultado el 31 de diciembre de 2019 .
  5. ^ F. London, "La teoría general de las fuerzas moleculares" (1936).
  6. ^ YY Huang; Zhou, Weixing; Hsia, KJ; Menard, Etienne; Park, Jang-Ung; Rogers, John A .; Alleyne, Andrew G. (2005). "Colapso de sello en litografía blanda" (PDF) . Langmuir . 21 (17): 8058–68. doi : 10.1021 / la0502185 . PMID  16089420 .
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  8. ^ a b N. Maeda; Chen, N; Tirrell, M; Israelachvili, JN (2002). "Mecanismos de adhesión y fricción de superficies de polímero sobre polímero". Ciencia . 297 (5580): 379–82. doi : 10.1126 / science.1072378 . PMID  12130780 .
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  10. ^ Friction Physics (2017-12-06), Science friction: Adhesion of complex shapes , recuperado el 2017-12-30
  11. ^ Fricción estática en Fractal Interfaces Tribology International 2016, Volumen 93
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  • John Comyn, Adhesion Science , Royal Society of Chemistry Libros en rústica, 1997
  • AJ Kinloch, Adhesión y adhesivos: ciencia y tecnología , Chapman y Hall, 1987