Forskere opdager overfladen af ​​ultra-glat nanomateriale stejlere end de østrigske alper

Folk kan normalt fortælle, om noget er ru eller glat ved at køre fingrene langs overfladen. Men hvad med ting, der er for små eller for store til at køre en finger over? Jorden ser glat ud fra rummet, men nogen, der stod ved foden af ​​Himalaya, ville være uenige. Forskere måler overflader i forskellige skalaer for at tage højde for forskellige størrelser, men disse skalaer er ikke altid enige.

Ny forskning fra University of Pittsburghs Swanson School of Engineering målte en ultrananokrystallinsk diamantbelægning, værdsat for sine hårde, men glatte egenskaber, og viste, at det er langt grovere end tidligere antaget. Deres fund kan hjælpe forskere med bedre at forudsige, hvordan overfladetopografi påvirker overfladeegenskaber for materialer, der bruges i forskellige miljøer fra mikrokirurgi og motorer til satellithuse eller rumfartøjer.

"Et vigtigt mål for en ruheds 'ruhed' er dens gennemsnitlige hældning, det er, hvor stejlt det er, "siger Tevis Jacobs, adjunkt i maskinteknik og materialevidenskab ved Pitt. "Vi fandt ud af, at overfladen af ​​denne nano-diamantfilm ser vildt forskellig ud afhængigt af den skala, du bruger."

Dr. Jacobs og hans teams forskning optrådte i tidsskriftet American Chemical Society (ACS) ACS -anvendte materialer og grænseflader . De tog mere end 100 målinger af diamantfilmen, kombinerer konventionelle teknikker med en ny tilgang baseret på transmissionselektronmikroskopi. Resultaterne spænder over størrelsesskalaer fra en centimeter ned til atomskalaen.

Dr. Jacobs forklarer, "Nanodiamondoverfladen er glat nok til, at du kan se din refleksion i den. Alligevel ved at kombinere alle vores målinger, herunder ned til de mindste skalaer, vi viste, at dette "glatte" materiale har en gennemsnitlig hældning på 50 grader. Dette er stejlere end de østrigske alper målt på skalaen af ​​et menneskeligt fodspor (39 grader). "

"Ved at bruge elektronmikroskopi, vi var i stand til at få den mindste ende af måleområdet; vi kan ikke engang definere topografi under atomskalaen, "siger Dr. Jacobs." Så, ved at kombinere alle skalaerne sammen, vi var i stand til at slippe af med problemet med at få ruhed til at afvige mellem skalaer. Vi kan beregne 'sande' skala-invariante ruhedsparametre. "

"Vi har vidst i hundrede år, at overfladeruhed styrer overfladeegenskaber. Det manglende led er, at vi ikke har kunnet kvantificere dens effekt. F.eks. i biomedicinske anvendelser, forskellige undersøgelser er nået til modsatte konklusioner om hvorvidt ruhed fremmer eller nedbryder celleadhæsion. Vi tror på, at denne nye forståelse af ruhed på tværs af skalaer vil åbne døren for endelig at løse dette ældgamle puslespil i overfladeanalyse. "

Det endelige mål er at have forudsigelige modeller for, hvordan ruhed bestemmer overfladeegenskaber som vedhæftning, friktion eller ledning af varme eller elektricitet. Dr. Jacobs 'gennembrud er det første skridt i en op ad bakke, og meget stejl, kæmpe for at skabe og validere disse modeller.

"Vi foretager i øjeblikket egenskabsmålinger af dette nanodiamondmateriale og mange andre overflader for at anvende mekaniske modeller til at forbinde topografi og egenskaber, "siger han." Ved at finde de vægte eller den kombination af skalaer, der betyder mest for en given applikation, vi kan fastslå, hvilke overfladebehandlingsteknikker der opnår de bedste resultater, reducere behovet for en dyr og tidskrævende forsøg og fejl-tilgang. "