Hoe kleiner het voorwerp, vooral op atomair of subatomair niveau, hoe vreemder het zich gedraagt. Bijvoorbeeld, naarmate technologische apparaten kleiner en kleiner worden, de nog kleinere onderdelen zijn meer vatbaar voor hechting of "plakkerigheid". Wanneer kleine onderdelen in contact komen, ze plakken spontaan aan elkaar en kunnen niet gemakkelijk uit elkaar worden getrokken. Echter, recent onderzoek aan de Universiteit van Pittsburgh kan het probleem "loskoppelen" en de volgende generatie micro-apparaten verbeteren die steeds vaker in het dagelijks leven worden gebruikt.

"Oppervlakken hebben de neiging elkaar aan te trekken via elektronische of chemische interacties, " zegt Tevis Jacobs, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Pitt's Swanson School of Engineering. "Dit is vooral problematisch als dingen klein worden. Dat zie je als je koffie maalt. De hele bonen plakken niet aan de zijkant van de molen, maar een fijne maling blijft aan alles plakken, vooral op een droge dag."

Dr. Jacobs is de hoofdonderzoeker van de studie "Understanding and Leveraging the Effect of Nanoscale Roughness on Macroscale Adhesion, " die $ 305 ontving, 123 van de National Science Foundation (NSF) om oppervlakteruwheid te meten en de fundamentele relatie tussen hechting en ruwheid bij kleine afmetingen te karakteriseren. Dr. Jacobs en zijn team zullen bepalen wanneer kleine voorwerpen het liefst aan elkaar plakken.

"Een van de redenen dat kleine onderdelen gemakkelijker kleven dan grote onderdelen, is de verhouding tussen oppervlak en volume, " zegt Dr. Jacobs. "Voor grote delen, er is veel volume ten opzichte van het oppervlak, dus de adhesie is relatief zwak in vergelijking met lichaamskrachten, zoals zwaartekracht. Als de onderdelen klein worden, de oppervlaktekrachten worden groter ten opzichte van de lichaamskrachten en de onderdelen blijven spontaan plakken."

Voor veel technische materialen, door de oppervlakteruwheid van een object te vergroten, is het minder waarschijnlijk dat de kleine onderdelen aan elkaar blijven kleven. De algemene reden waarom ruwheid de hechting vermindert, is algemeen bekend.

"Stel je een kubus voor met zijden van 2,5 cm op een tafel. Als de oppervlakken perfect vlak zijn, dan zal het contact maken met de tafel over een oppervlakte van een vierkante inch, " Dr. Jacobs legt uit. "Als je het oppervlak schuurt met schuurpapier en het weer op tafel legt, de ruwheid zal in sommige gebieden nauw contact voorkomen. In feite, de kubus wordt mogelijk door slechts een klein aantal contactpunten ondersteund. Het "echte contactoppervlak" kan 1000 keer kleiner zijn dan één vierkante inch."

Het onderzoeksteam van Pitt ontwikkelt en test analytische en numerieke modellen om kwantitatieve Jacobs Alt Adhesion Int-voorspellingen van hechting tussen ruwe oppervlakken te kunnen maken. Dit werk zal ingenieurs ook begeleiden bij het opzettelijk wijzigen van de ruwheid om een ​​gewenst niveau van hechting te bereiken.

Een beter begrip van hoe de plakkerigheid in kleine formaten kan worden verminderd, zal waarschijnlijk de grootste impact hebben op microdevices, die veel worden gebruikt in consumentenelektronica, biomedische apparaten, de halfgeleiderindustrie, en defensietoepassingen. Het onderzoek is ook van toepassing op de nieuwe productietechnieken die worden ontwikkeld om deze microdevices te maken, waardoor fabrikanten adhesiegerelateerde problemen kunnen voorkomen.

"Een klassiek voorbeeld van hechting die een probleem veroorzaakt, is het Digital Micromirror Device van Texas Instruments, " zegt Dr. Jacobs. "Deze projector, zoals die in auditoria wordt gebruikt, omvat een reeks micro-elektronische apparaten die kleine spiegels verplaatsen om de projector te laten functioneren. Het product werd bijna volledig ongedaan gemaakt door hechting in de micro-elektronische apparaten. Ze zouden vast komen te zitten in een specifieke positie en niet in staat zijn om te bewegen, wat resulteert in een 'vastzittende pixel' op het scherm."

De Pitt-onderzoekers begrijpen niet alleen oppervlakteruwheid en het effect ervan op de oppervlakteadhesie, ze ontwikkelen ook methoden om de microdevices aan te passen om een ​​gewenst niveau van hechting te bereiken.

"Er zijn veel verschillende modellen die ruwheid en hechting beschrijven, maar geen enkele is experimenteel goed geverifieerd, " zegt Dr. Jacobs. "We gebruiken gloednieuwe technieken om de ruwheid te meten, experimenteren met verschillende soorten ruwheid, en om de resulterende hechting te meten. Ons doel is om de bestaande modellen van hechting en ruwheid te testen en om nieuwe modellen te ontwikkelen die meer kwantitatief en voorspellend zijn."

in 2015, Dr. Jacobs ontving een NSF-beurs om de atomaire oppervlaktestructuur van nanomaterialen te observeren en te meten met behulp van elektronenmicroscopie. Deze nieuwe studie bouwt voort op zijn eerdere onderzoek en zal een combinatie van transmissie-elektronenmicroscopie gebruiken om voorheen ongemeten oppervlakteschalen te karakteriseren en een aangepaste micromechanische tester om oppervlakteadhesie te meten.