Понимание адгезии в крошечных весах может иметь важные последствия для наноразмерной инженерии

Ученые из Университета Брауна обнаружили уникальный способ слипания вещей на крошечных уровнях, который может оказаться полезным при разработке микро- и наноразмерных устройств.

Как материал держится – В очень малых масштабах силы сцепления являются доминирующими. В исследовании, которое может быть полезным в наноразмерной инженерии, новое исследование показывает, как незначительные величины шероховатости поверхности могут влиять на липкость. (Фото предоставлено Kesari Lab / Brown University)

В последующих работах, последняя из которых была опубликована в Scientific Reports ученые демонстрируют, что крошечные различия в шероховатости поверхности могут привести к удивительным изменениям в способе прилипания двух поверхностей. друг другу. Документы показывают, что определенные уровни шероховатости могут вызывать различное воздействие на поверхности поверхностей в зависимости от того, находятся ли они друг против друга или раздвинуты.

Люди работали над адгезией более 100 лет, но ни одна из существующих теорий не уловила этого. В ходе этой работы мы показали экспериментально, что это действительно существует, и теперь у нас есть теоретическая основа, которая фиксирует это .

Вейлин Дэн, аспирант, Университет Брауна.

Дэн также является ведущим автором исследования.

По мнению исследователей, это хорошее понимание, которое может иметь значительные последствия для наноразмерной инженерии. В незначительных масштабах доминирует класс адгезивных сил, известных как силы Ван-дер-Ваальса. Следовательно, крайне важно получить глубокое понимание того, как эти силы работают.

На субмикронных масштабах силы адгезии становятся доминирующими, в то время как сила тяжести по сравнению с ними по существу бессмысленна. Вот почему мелкие насекомые, такие как мухи и муравьи, могут без проблем масштабировать стены и потолки. Таким образом, с практической точки зрения, если мы хотим разрабатывать в этих масштабах, нам нужна более полная теория о том, как силы адгезии деформируют и формируют поверхности материала, и в сочетании с шероховатостью поверхности влияют на то, как поверхности прилипают и скользят друг над другом .

Ханиш Кесари, доцент, Техническая школа, Университет Брауна.

Кесари курировал исследование. Это направление исследований началось 10 лет назад, когда Кесари проводил эксперименты по исследованию адгезии в небольших масштабах. « Эти эксперименты были самым элементарным способом изучения проблемы », – заявил Кесари. « Мы просто соединяем два тела вместе и снова разрываем их, измеряя силы между двумя поверхностями ».

Чтобы выполнить это на микроуровне, Кесари использовал устройство атомно-силового микроскопа (АСМ). АСМ чем-то напоминает миниатюрный проигрыватель. Кантилевер, включающий маленькую иглу, которая висит на одном конце, проведен по поверхности. Исследователи могут наметить физические особенности поверхности, оценивая степень, в которой кантилевер колеблется вверх и вниз. Кесари провел свои эксперименты, слегка изменив настройки. Игла была заменена им на крошечную стеклянную бусину, и он использовал консоль, чтобы просто опустить и поднять бусину, заставляя ее контактировать с подложкой, а затем снова и снова оттягивая ее. Подложка была сформирована из PDMS, мягкого полимерного материала, обычно используемого в микромасштабных инженерных системах. Усилия, оказываемые двумя поверхностями друг на друга, измерялись кантилевером.

Эксперименты показали, что когда ПДМС и борт были сближены или едва касались друг друга, между ними возникла сила притяжения. Когда они полностью соприкоснулись, и консоль продолжила толкать вниз, в силе произошел переворот – два твердых тела пытались оттолкнуть друг друга. Снова подняв консоль и раздвинув два твердых тела, сила притяжения вернулась к точке, где зазор был достаточно большим, чтобы сила полностью исчезла.

Эти результаты не были удивительными. Они соответствовали тому, как обычно считается, что адгезия работает. Интересная часть заключалась в следующем: существовала разница в величине силы притяжения между подложкой PDMS и валиком в зависимости от того, шел ли кантилевер вверх или спускался.

Это меня очень удивило. У вас точно такое же расстояние разнесения, но силы при загрузке различаются по сравнению с разгрузкой. В теоретической литературе не было ничего, что могло бы объяснить это .

Ханиш Кесари, доцент, Техническая школа, Университет Брауна.

Чтобы исключить мешающие факторы, такие как жидкостное всасывание между обеими поверхностями или какой-то вид разрыва полимеров PDMS, Кесари проводил эксперимент различными способами, которые несколько отличались. Как только он продемонстрировал, что обнаруженный им эффект не был артефактом какого-либо знакомого процесса, Кесари начал выяснять, что происходит.

Было найдено, что решение связано с шероховатостью поверхности – незначительными величинами шероховатости, которые будут тривиальными при больших масштабах в тех же материалах или в тех же масштабах в более жестких материалах. Кесари и его ученики намеревались разработать математическую модель влияния этой шероховатости на адгезию.

В общем, теория оценивает, что ударная вязкость интерфейса – атрибут, необходимый для разделения двух поверхностей – постоянно увеличивается с увеличением шероховатости до определенной точки. После этой пиковой точки шероховатости наблюдается быстрое падение вязкости.

« Эта всеобъемлющая теория помогает проверить, что то, что мы видели в наших экспериментах, было реальным », – заявил Кесари. « Теперь это также то, что может быть использовано в наноразмерной инженерии ».

Например, он сказал, что глубокое понимание адгезии полезно при разработке микроэлектромеханических систем – устройств, которые имеют микро- и наноразмерные движущиеся части. Если способ, которым крошечные части могут прилипнуть и открепиться, не учитывается должным образом, они могут легко растереть себя на куски. Еще одним применением может быть использование наноразмерного рисунка поверхностей. Было бы целесообразно использовать наноразмерные поверхности для создания солнечных панелей, которые противостоят скоплению пыли, что лишает их эффективности.

« Мы можем многое сделать, спроектировав микро- и наноразмеры », – заявил Кесари. « Но это поможет нам лучше понять физику, которая важна в этих масштабах

Национальный научный фонд (1562656) поддержал исследование.

Source link