Forskere stryger fysikken i rynker

Når vi tænker på rynker, vi forestiller os normalt linjerne ætset ind i vores hud, for nogle en uvelkommen virkelighed og for andre et stolt tegn på et godt levet liv. I materialevidenskab, rynker kan også være enten ønsket eller uønsket. Men de fysiske faktorer, der får rynker til at forekomme, er endnu ikke fuldt ud forstået.

Nu, i et papir, der for nylig blev offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver , forskere fra matematik, Mekanik, og Materials (MMM) Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har vist, hvordan rynker kan øges eller reduceres ved at ændre krumningen i kanten af ​​et materiale.

"Historisk set forskere og ingeniører har fokuseret på at forhindre rynker, som kan påvirke ydelsen af ​​tryksensorer negativt, flypaneler, og lette rumfartøjskonstruktioner, herunder udbredelige rumbomme og teleskoper, "sagde professor Eliot Fried, der leder MMM -enheden. "Men nyere forskning har også vist, at rynker kan give materialer nyttige egenskaber. F.eks. det kan bruges til at lave et materiale superhydrofobt eller til at lave belægninger, der reflekterer lys på unikke måder. "

Diamantvinduer med mulighed

Enheden stødte først på fænomenet rynker under arbejdet med ultratynde nanokrystallinske diamantfilm, vokset på et glasplade.

"Jeg fjernede glaslaget under små områder af den nanokrystallinske diamantfilm for at skabe diamantvinduer, sagde Dr. Stoffel Janssens, første forfatter til undersøgelsen og postdoktoralforsker i MMM -enheden. "Diamantvinduer er ekstremt vanskelige at lave, men de har virkelig spændende potentielle applikationer, herunder at blive brugt som en gennemsigtig struktur, hvorpå en cellekultur kan dyrkes og let visualiseres. "

Forskerne fandt ud af, at rynker var en uundgåelig del af fremstilling af diamantvinduer. Processen med at dyrke den nanokrystallinske diamantfilm oven på glaspladen indebærer opvarmning og afkøling af substratet, hvilket får de to lag til at ekspandere og trække sig sammen med forskellige mængder, genererer stress i lagene, Dr. Janssens forklarede. Derefter, når et hul i glassubstratet laves af lasere og syrer for at danne et diamantvindue, restspændingen forårsager den nu suspenderede del af nanokrystallinsk diamantfilm, som ikke længere er bundet til glaspladen, at deformere og rynke rundt om kanten.

"Vi indså, at diamantvinduer gav en fantastisk mulighed for at forstå nogle af de fysiske faktorer, der påvirker rynker, "sagde prof. Fried." Ved hjælp af cirkulære diamantvinduer, vi demonstrerede eksperimentelt effekten af ​​diameter og grænsekrumning på rynker, og så udviklede vi også en simpel teoretisk model til at forklare, hvad vi observerede. "

Bro -eksperiment og teori

I undersøgelsen, forskerne lavede diamantvinduer i forskellige størrelser, og målte derefter bølgelængden og antallet af rynker, der dannedes i den suspenderede film omkring den buede kant af hvert diamantvindue.

De fandt ud af, at efterhånden som diamantvinduerne steg, reducering af krumningen ved grænsen mellem den bundne og suspenderede nanokrystallinske diamantfilm, tætheden af ​​rynker faldt, og bølgelængden for hver rynke var længere.

Forskerne målte også belastningsniveauet - mængden af ​​deformation forårsaget af belastningen i lagene - på tværs af diamantvinduerne.

"At måle belastning på tværs af et 2-D-materiale på en konventionel måde er meget kompliceret og dyrt, men vi var i stand til at udtænke en teknik, hvor vi i stedet bestemte diamantvinduets overfladeprofil - hvor højt hvert punkt er - og derefter udviklede algoritmer til at hente stamværdierne, sagde Dr. Janssens.

Holdet brugte derefter de eksperimentelle resultater til at udvikle en teoretisk model, som de mener kunne bruges til at designe enheder med funktionelle rynker eller reduceret rynke.

Modellen udvidede også eksperimenterne, tyder på, at enheder, der indeholder en negativ krumning, vil se yderligere reduktioner i rynker.

Fremadrettet, enheden er interesseret i at skabe diamantvinduer i form af ringe, frem for cirkler. Selvom det er mere udfordrende at fremstille, disse strukturer har to grænser mellem de suspenderede og vedhæftede dele af nanokrystallinske diamantfilm - en med positiv krumning og en med negativ krumning - så forskerne kan bruge eksperimenter til yderligere at undersøge validiteten af ​​deres model.

"Samlet set, denne undersøgelse integrerer teori, beregning, eksperimenter, og analyse, "sagde prof. Fried." Det tværfaglige miljø, der blev fremmet hos OIST, gjorde dette arbejde muligt og har i sidste ende givet alle forskere i vores enhed mulighed for at samarbejde og udvide deres ekspertise. "