Forskere bliver ru med nanomaterialer for at eliminere problematisk klæbrighed forårsaget af glatte overflader

Jo mindre objektet er, især på atom- eller subatomært niveau, jo fremmed den opfører sig. For eksempel, efterhånden som teknologiske enheder bliver mindre og mindre, de endnu mindre dele er mere tilbøjelige til at klæbe eller "klæbe". Når små dele kommer i kontakt, de klæber spontant sammen og kan ikke nemt trækkes fra hinanden. Imidlertid, nyere forskning ved University of Pittsburgh kan "løse" problemet og forbedre den næste generation af mikroenheder, der i stigende grad bruges i hverdagen.

"Overflader har en tendens til at tiltrække hinanden via elektroniske eller kemiske interaktioner, " siger Tevis Jacobs, assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Pitt's Swanson School of Engineering. "Dette er især problematisk, da tingene bliver små. Det kan man se, når man maler kaffe. De hele bønner klæber ikke til siden af ​​kværnen, men en fin slibning klæber til alt, især på en tør dag."

Dr. Jacobs er hovedforsker for undersøgelsen "Forståelse og udnyttelse af effekten af ​​nanoskala ruhed på makroskalaadhæsion, "som modtog $305, 123 fra National Science Foundation (NSF) for at måle overfladeruhed og karakterisere det grundlæggende forhold mellem vedhæftning og ruhed ved små størrelser. Dr. Jacobs og hans team vil afgøre, hvornår små genstande foretrækker at hænge sammen.

"En grund til, at små dele lettere klæber end store dele, er forholdet mellem overflade og volumen, " siger Dr. Jacobs. "For store dele, der er meget volumen i forhold til overfladen, så vedhæftningen er relativt svag sammenlignet med kropskræfter, som tyngdekraften. Når delene bliver små, overfladekræfterne bliver større i forhold til kropskræfterne, og delene vil spontant sætte sig fast."

For mange tekniske materialer, forøgelse af en genstands overfladeruhed vil gøre det mindre sandsynligt, at de små dele klæber sammen. Den generelle årsag til, at ruhed reducerer vedhæftning, er velkendt.

"Forestil en terning med en tomme sider siddende på et bord. Hvis overfladerne er helt flade, så vil den komme i kontakt med bordet over et område på en kvadrattomme, " Dr. Jacobs forklarer. "Hvis du sliber overfladen med sandpapir og sætter den tilbage på bordet, ruheden vil forhindre tæt kontakt i nogle områder. Faktisk, kuben understøttes muligvis kun af et lille antal kontaktpunkter. Det "sande kontaktareal" kan være 1000 gange mindre end en kvadrattomme."

Pitt-forskerteamet udvikler og tester analytiske og numeriske modeller for at kunne lave kvantitative Jacobs Alt Adhesion Int-forudsigelser af adhæsion mellem ru overflader. Dette arbejde vil også guide ingeniører i bevidst at ændre ruheden for at opnå et ønsket niveau af vedhæftning.

En bedre forståelse af, hvordan man reducerer klæbrighed i små størrelser, vil sandsynligvis have den største indvirkning på mikroenheder, som er almindeligt anvendt i forbrugerelektronik, biomedicinsk udstyr, halvlederindustrien, og forsvarsansøgninger. Forskningen er også anvendelig til de nye fremstillingsteknikker, der er banebrydende for at skabe disse mikroenheder, giver producenterne mulighed for at undgå adhæsionsrelaterede problemer.

"Et klassisk eksempel på adhæsion, der forårsager et problem, er Digital Micromirror Device fra Texas Instruments, " siger Dr. Jacobs. "Denne projektor, som den der bruges i auditorier, involverer en række mikroelektroniske enheder, der flytter små spejle for at få projektoren til at fungere. Produktet blev næsten fuldstændig ophævet ved adhæsion i de mikroelektroniske anordninger. De ville sidde fast i en bestemt position og være ude af stand til at bevæge sig, resulterer i en "fast pixel" på skærmen."

Pitt-forskerne forstår ikke kun overfladeruhed og dens effekt på overfladeadhæsion, de udvikler også metoder til at modificere mikroenhederne for at opnå et ønsket niveau af adhæsion.

"Der er mange forskellige modeller, der beskriver ruhed og vedhæftning, men ingen er velverificeret eksperimentelt, " siger Dr. Jacobs. "Vi bruger helt nye teknikker til at måle ruheden, at eksperimentere med forskellige typer af ruhed, og måle den resulterende adhæsion. Vores mål er at teste de eksisterende modeller for adhæsion og ruhed og at etablere nye modeller, der er mere kvantitative og forudsigelige."

I 2015 Dr. Jacobs modtog en NSF-bevilling til at observere og måle den atomare overfladestruktur af nanomaterialer ved hjælp af elektronmikroskopi. Denne nye undersøgelse bygger på hans tidligere forskning og vil anvende en kombination af transmissionselektronmikroskopi til at karakterisere tidligere umålte overfladeskalaer og en tilpasset mikromekanisk tester til at måle overfladeadhæsion.