Oprindelsen af ​​overfladeruhed:Atomisk deformation i og på overfladen af ​​et fast stof

De fleste naturlige og kunstige overflader er ru:Metaller og endda glas, der virker glatte for det blotte øje, kan ligne takkede bjergkæder under mikroskopet. Der er i øjeblikket ingen ensartet teori om oprindelsen af ​​denne ruhed på trods af dens tilstedeværelse på alle skalaer, fra det atomare til det tektoniske. Forskere har mistanke om, at ru fremstillede overflader dannes af irreversibel plastisk deformation, der forekommer i mange processer med mekanisk bearbejdning af komponenter, såsom fræsning. Prof. Dr. Lars Pastewka fra Simulationsgruppen ved Institut for Mikrosystemteknik ved Universitetet i Freiburg og hans team har simuleret sådanne mekaniske belastninger i computersimuleringer. Forskerne fandt ud af, at overflader lavet af forskellige materialer, som viser tydelige mekanismer for plastisk deformation, altid udvikle overfladeruhed med identiske statistiske egenskaber. De har offentliggjort deres resultater i Videnskabens fremskridt .

Geologiske overflader såsom bjergkæder er skabt af mekanisk deformation, hvilket så fører til processer som brud eller slid. Syntetiske overflader gennemgår typisk mange trin af formning og efterbehandling, såsom polering, slibning og slibning, forklarer Pastewka. De fleste af disse overfladeændringer, hvad enten det er naturligt eller syntetisk, føre til plastiske deformationer på den mindste atomare længdeskala:"Selv ved revnespidserne af de fleste sprøde materialer som glas, der er en begrænset proceszone, hvor materialet er plastisk deformeret, " siger Freiburg-forskeren. "Ruhed på disse mindste skalaer er vigtig, fordi den styrer området for intim atomkontakt, når to overflader presses sammen og dermed adhæsion, ledningsevne og andre funktionelle egenskaber af overflader i kontakt."

I samarbejde med kolleger fra Karlsruhe Institute of Technology, École Polytechnique Fédérale de Lausanne/Schweiz, og Sandia National Laboratories/U.S., og finansieret af Det Europæiske Forskningsråd (ERC), Pastewka og hans gruppe var i stand til at simulere overfladetopografien for tre referencematerialesystemer på JUQUEEN og JUWELS supercomputere på Jülich Supercomputing Centre, som omfattede monokrystallinsk guld, en højentropi legering af nikkel, jern og titanium, og det metalliske glas kobber-zirconium, hvor atomerne ikke danner ordnede strukturer, men et uregelmæssigt mønster. Hvert af disse tre materialer er kendt for at have forskellige mikromekaniske eller molekylære egenskaber. Forskerne undersøgte nu mekanismen bag deformationen og de resulterende ændringer i atomskalaen både i det faste stof og på dets overflade.

Pastewka, som også er medlem af Cluster of Excellence Living, Adaptive og energiautonome materialesystemer (livMatS), og hans team fandt ud af, at på trods af deres forskellige strukturer og materialeegenskaber, alle tre systemer, når den er komprimeret, udvikle ru overflader med en såkaldt selv-affineret topografi. Det betyder, at systemerne har identiske geometriske strukturer uanset i hvilken skala de observeres:Overfladetopografi i et virtuelt mikroskop på nanometerskala kan ikke skelnes fra strukturen af ​​bjerglandskaber på kilometerskalaen. "Dette er en forklaring, " siger Pastewka, "hvorfor en næsten universel struktur af overfladeruhed observeres i eksperimenter."