L’adesione è l’insieme dei fenomeni fisico-chimici che si verificano nell’attrazione molecolare tra due materiali di natura diversa posti a contatto. La forza dipende dalla natura dei materiali, dalla temperatura e dalla pressione tra le superfici.
L’adesione è dovuta a forze intermolecolari dello stesso tipo di quelle che causano la coesione. Mentre il termine “adesione” si riferisce all’azione di attrazione tra molecole di tipo diverso, il termine “coesione” si riferisce all’azione di attrazione tra molecole dello stesso tipo.
Sebbene si verifichi sistematicamente, questo fenomeno è spesso poco evidente: nella maggior parte dei casi, gli oggetti con cui abbiamo a che fare non aderiscono spontaneamente l’uno all’altro, perché l’intensità delle forze in gioco è molto piccola. L’adesione, infatti, è dovuta a interazioni il cui raggio d’azione è dell’ordine delle distanze intermolecolari: legami fisici – forze intermolecolari – tra le superfici dei corpi in contatto e, talvolta, anche veri e propri legami chimici tra molecole appartenenti a corpi diversi.
Affinché due oggetti macroscopici aderiscano con un’intensità apprezzabile, è necessario che tra loro si stabilisca un contatto a livello microscopico. Tuttavia, ragioni meccaniche, dovute alle irregolarità della superficie, e le impurità tra le molecole, prima fra tutte l’umidità, rendono questo contatto difficile da realizzare tra due solidi; d’altra parte, alcuni esperimenti hanno dimostrato che, se la distanza di separazione scende al di sotto di un valore critico – tipicamente tra 1 e 10 nm – campioni di mica, oro, gomma e gelatina, levigati su scala atomica, aderiscono spontaneamente l’uno all’altro.
Diverso è il caso di un liquido e di un solido, tra i quali è facile che si stabilisca un contatto molecolare che rende l’adesione molto intensa; i fenomeni di capillarità, ovvero il fatto stesso che i liquidi bagnino i solidi, ne sono la prova. Per la maggior parte, gli adesivi comunemente utilizzati nell’industria e nella vita quotidiana sono in fase liquida al momento dell’applicazione e solo successivamente solidificano, proprio per poter lambire adeguatamente il substrato e aumentare successivamente la loro coesione: tra i tanti esempi possiamo citare le colle viniliche, che, applicate in emulsione acquosa, solidificano in seguito all’evaporazione del mezzo liquido, e gli adesivi universali istantanei a base di cianoacrilati, che polimerizzano molto rapidamente in presenza di umidità sul substrato.
L’adesione riveste grande importanza anche nella biologia cellulare, in quanto rappresenta il meccanismo con cui le cellule si uniscono tra loro o con la matrice extracellulare; particolari proteine, dette molecole di adesione, svolgono un ruolo fondamentale nella formazione di tessuti e organi durante l’embriogenesi, nella risposta immunitaria e nello sviluppo di alcune malattie come i tumori. Tuttavia, sono soprattutto le applicazioni tecnologiche, prima fra tutte l’incollaggio, ad alimentare l’interesse per l’adesione.
Tra i maggiori consumatori di adesivi vi sono le industrie high-tech come quella aeronautica, aerospaziale, automobilistica ed elettronica, dove la saldatura e la rivettatura sono state parzialmente sostituite da giunzioni adesive, che permettono di unire facilmente materiali diversi, garantiscono una distribuzione più uniforme delle sollecitazioni e sono più resistenti alla fatica, oltre a essere più leggere ed esteticamente più gradevoli. Gli adesivi sono ampiamente utilizzati anche nell’industria del legno, nell’edilizia, nelle calzature, nell’imballaggio, nello sport, ecc. Una conoscenza approfondita dell’adesione, oltre a consentire di migliorare la qualità degli adesivi, è utile nella fabbricazione di quei prodotti – vernici, rivestimenti, materiali compositi, ecc. – le cui prestazioni dipendono dalle proprietà dell’adesivo e dell’interfaccia tra due materiali.
Le origini della scienza dell’adesione risalgono ai primi studi sulle forze intermolecolari e sulla meccanica della frattura, ma è solo dagli anni ’70 che questa disciplina ha acquisito una propria autonomia. Sebbene sia sempre stata in posizione secondaria rispetto alle applicazioni tecnologiche, negli ultimi anni il divario tra scienza e tecnologia dell’adesione si sta rapidamente riducendo. L’adesione è un fenomeno complesso, che coinvolge diverse discipline, come la chimica fisica delle superfici e delle interfacce, la scienza macromolecolare, la scienza dei materiali, la reologia e la meccanica della frattura, ed è quindi difficile da comprendere nella sua generalità.
La scienza dell’adesione è, come abbiamo visto, una disciplina piuttosto recente, che si occupa di un fenomeno piuttosto complesso, e quindi non deve sorprendere che non esista un’unica teoria dell’adesione. Si può dire che quasi ogni coppia di materiali rappresenta un caso particolare, da descrivere attraverso un modello specifico, ma il fatto che esistano alcuni tratti comuni a più sistemi ha portato alla formulazione di teorie in grado di stabilire criteri di buona adesione per intere classi di materiali. Come già accennato, aspetti molto generali sono la termodinamica e la reologia, che permettono di interpretare un gran numero di fenomeni adesivi. Meno universale, ma altrettanto degno di attenzione, è il ruolo dei legami chimici che, quando presenti, contribuiscono in modo significativo alla tenuta di un’interfaccia. La teoria elettrostatica, che all’origine dell’adesione invocava un trasferimento di elettroni tra adesivo e substrato, è ormai superata: è applicabile solo in pochissimi casi e trascura completamente gli aspetti reologici.
La teoria termodinamica ha una validità molto generale, dovuta al fatto che le forze dispersive di London sono universalmente presenti, ed è una delle più utilizzate nello studio dell’adesione. La prima formulazione di una teoria termodinamica dell’adesione si deve a Louis Houghton Sharpe e Harold Schonhorn e si basa sull’ipotesi che le interazioni fisiche tra le molecole siano sufficienti a generare l’adesione tra due materiali. Queste forze, per essere efficaci, richiedono che l’adesivo e il substrato siano in intimo contatto, cosa che di solito avviene se l’adesivo viene applicato in forma liquida su un substrato solido; una condizione necessaria per l’adesione è quindi che l’adesivo bagni il substrato. Nel descrivere il processo di bagnatura, la teoria termodinamica stabilisce alcuni criteri di bagnatura e mette in relazione il lavoro termodinamico di adesione con le energie superficiali dei singoli materiali.
La descrizione degli aspetti reologici è di fondamentale importanza nella scienza dell’adesione, perché permette di mettere in relazione la cosiddetta adesione pratica con la cosiddetta adesione fondamentale.