Undersøg detaljer om klæbrige situationer på nanoskala

Forskere fra Brown University har gjort en opdagelse om, hvordan tingene hænger sammen i små skalaer, som kunne være nyttige ved konstruktion af mikro- og nanoskalaenheder.

I en række papirer, hvoraf den seneste er offentliggjort i Videnskabelige rapporter , forskerne viser, at små forskelle i en overflades ruhed kan forårsage overraskende ændringer i måden, hvorpå to overflader klæber til hinanden. Visse niveauer af ruhed, undersøgelserne viser, kan få overfladerne til at udøve forskellige mængder kraft på hinanden afhængigt af om de bliver skubbet sammen eller trukket fra hinanden.

"Folk har arbejdet med adhæsion i over 100 år, men ingen af ​​de eksisterende teorier fangede dette, " sagde Weilin Deng, en ph.d. studerende på Brown og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. "I løbet af dette arbejde, vi viste med eksperimenter, at dette virkelig eksisterer, og nu har vi en teoretisk ramme, der fanger det."

Det er en subtil indsigt, der kan have vigtige konsekvenser for ingeniørarbejde i nanoskala, siger forskerne. I meget lille skala, en familie af klæbende kræfter kaldet van der Waals-kræfter dominerer. Så det er afgørende at have en bedre forståelse af, hvordan disse kræfter virker.

"På sub-mikron skalaer, klæbekræfterne bliver dominerende, mens kraften på grund af tyngdekraften i det væsentlige er meningsløs ved sammenligning, " sagde Haneesh Kesari, en assisterende professor ved Brown's School of Engineering, der overvågede forskningen. "Det er derfor, små insekter som fluer og myrer kan skalere vægge og lofter uden problemer. Så fra et praktisk perspektiv, hvis vi vil ingeniør i den skala, vi har brug for en mere komplet teori om, hvordan klæbekræfter deformerer og former materialeoverflader, og kombineret med overfladeruhed påvirker, hvordan overflader klæber til, og glide over hinanden."

Denne forskningslinje startede for ti år siden, da Kesari udførte eksperimenter for at teste vedhæftning i små skalaer. "Disse eksperimenter var den mest elementære måde at studere problemet på, " sagde Kesari. "Vi bringer simpelthen to faste stoffer sammen og trækker dem fra hinanden igen, mens vi måler kræfterne mellem de to overflader."

For at gøre dette på mikroskala, Kesari brugte et atomkraftmikroskop (AFM) apparat. En AFM er lidt ligesom en lillebitte pladespiller. En cantilever med en lille nål hængende fra den ene ende trækkes hen over en overflade. Ved at måle, hvor meget udkrageren vipper op og ned, forskere kan kortlægge de fysiske træk ved en overflade. Til Kesaris eksperimenter, han ændrede opsætningen lidt. Han erstattede nålen med en lillebitte glasperle og brugte cantileveren til blot at hæve og sænke perlen – bragte den i kontakt med et underlag og trak den tilbage igen og igen. Substratet var lavet af PDMS, et squishy polymermateriale, der ofte bruges i mikroskala-konstruerede systemer. Cantileveren målte de kræfter, som de to overflader udøvede på hinanden.

Eksperimenterne viste, at da perlen og PDMS kom tæt på hinanden eller næsten ikke rørte hinanden, der var en tiltrækningskraft mellem de to. Da de to var i fuld kontakt, og udhænget fortsatte med at trykke ned, kraften vendte - de to faste stoffer forsøgte at skubbe hinanden væk. Da udkraget blev hævet igen og de to faste stoffer flyttede fra hinanden, tiltrækningskraften vendte tilbage, indtil mellemrummet var stort nok til, at kraften forsvandt helt.

Disse resultater var ikke overraskende. De var i overensstemmelse med, hvordan adhæsion normalt menes at virke. Den overraskende del var denne:Mængden af ​​tiltrækningskraft mellem perlen og PDMS-substratet var forskellig afhængigt af, om cantileveren var på vej op eller på vej ned.

"Det var meget overraskende for mig, " sagde Kesari. "Du har nøjagtig samme afstand, men kræfterne er anderledes, når du læsser sammenlignet med aflæsning. Der var intet i den teoretiske litteratur til at forklare det."

Kesari udførte eksperimentet på flere lidt forskellige måder for at udelukke forstyrrende faktorer, som væskebaseret sug mellem de to overflader eller en form for rivning af PDMS-polymererne. Efter at have vist, at den effekt, han opdagede, ikke var en artefakt af nogen kendt proces, Kesari satte sig for at finde ud af, hvad der foregik.

Svaret viste sig at handle om overfladeruhed - minimale mængder af ruhed, der ville være ubetydelige i de samme materialer i større skalaer eller i stivere materialer i samme skalaer. Kesari og hans elever gik i gang med at skabe en matematisk model for, hvordan denne ruhed kan påvirke adhæsion.

Samlet set, teorien forudsiger, at grænsefladesejhed - det arbejde, der kræves for at adskille to overflader - stiger støt, efterhånden som ruheden øges til et vist punkt. Efter det højeste ruhedspunkt, sejheden falder hurtigt.

"Denne omfattende teori hjælper med at verificere, at det, vi så i vores eksperimenter, var ægte, " sagde Kesari. "Det er også nu noget, der kan bruges i nanoskalateknik."

For eksempel, han siger, en fuld forståelse af adhæsion er nyttig ved design af mikro-elektromekaniske systemer - enheder med mikro- og nanoskala bevægelige dele. Uden at redegøre ordentligt for, hvordan disse små dele kan klæbe og løsne, de kan let slibe sig selv i stykker. En anden anvendelse kunne være at bruge nanoskala mønstre af overflader. Det kan være muligt at bruge nanomønstrede overflader til at lave solpaneler, der modstår en opbygning af støv, hvilket berøver dem deres effektivitet.

"Der er meget, vi kan gøre ved at udvikle på mikro- og nanoskalaen, " sagde Kesari. "Men det vil hjælpe, hvis vi har en bedre forståelse af den fysik, der er vigtig på disse skalaer.