De meeste natuurlijke en kunstmatige oppervlakken zijn ruw:metalen en zelfs glazen die met het blote oog glad lijken, kunnen er onder de microscoop uitzien als grillige bergketens. Er is momenteel geen uniforme theorie over de oorsprong van deze ruwheid ondanks zijn aanwezigheid op alle schalen, van het atomaire tot het tektonische. Wetenschappers vermoeden dat ruwe gefabriceerde oppervlakken worden gevormd door onomkeerbare plastische vervorming die optreedt in veel processen van mechanische bewerking van componenten, zoals frezen. Prof. Dr. Lars Pastewka van de simulatiegroep van de afdeling Microsystems Engineering van de Universiteit van Freiburg en zijn team hebben dergelijke mechanische belastingen in computersimulaties gesimuleerd. De onderzoekers ontdekten dat oppervlakken van verschillende materialen, die verschillende mechanismen van plastische vervorming vertonen, ontwikkel altijd oppervlakteruwheid met identieke statistische eigenschappen. Ze hebben hun resultaten gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Geologische oppervlakken zoals bergketens ontstaan ​​door mechanische vervorming, wat vervolgens leidt tot processen zoals breuk of slijtage. Synthetische oppervlakken doorlopen doorgaans vele stappen van vormgeving en afwerking, zoals polijsten, lappen en slijpen, legt Pastewka uit. De meeste van deze oppervlakteveranderingen, natuurlijk of synthetisch, leiden tot plastische vervormingen op de kleinste atoomlengteschaal:"Zelfs aan de barstpunten van de meeste brosse materialen zoals glas, er is een eindige proceszone waarin het materiaal plastisch wordt vervormd, ", zegt de Freiburg-onderzoeker. "Ruwheid op deze kleinste schalen is belangrijk omdat het het gebied van intiem atomair contact regelt wanneer twee oppervlakken tegen elkaar worden gedrukt en dus adhesie, geleidbaarheid en andere functionele eigenschappen van oppervlakken in contact."

In samenwerking met collega's van het Karlsruhe Institute of Technology, de École Polytechnique Fédérale de Lausanne/Zwitserland, en de Sandia National Laboratories/V.S., en gefinancierd door de European Research Council (ERC), Pastewka en zijn groep waren in staat om de oppervlaktetopografie te simuleren voor drie referentiemateriaalsystemen in de JUQUEEN- en JUWELS-supercomputers in het Jülich Supercomputing Center, waaronder monokristallijn goud, een hoog-entropie legering van nikkel, ijzer en titanium, en het metalen glas koper-zirkonium, waarin de atomen geen geordende structuren vormen maar een onregelmatig patroon. Van elk van deze drie materialen is bekend dat ze verschillende micromechanische of moleculaire eigenschappen hebben. De wetenschappers onderzochten nu het mechanisme van de vervorming en de resulterende veranderingen in de atomaire schaal, zowel in de vaste stof als op het oppervlak.

Pastewka, die ook lid is van het Cluster of Excellence Living, Adaptieve en energie-autonome materiaalsystemen (livMatS), en zijn team ontdekten dat ondanks hun verschillende structuren en materiaaleigenschappen, alle drie de systemen, wanneer gecomprimeerd, ruwe oppervlakken ontwikkelen met een zogenaamde self-affined topografie. Dit betekent dat de systemen identieke geometrische structuren hebben, ongeacht de schaal waarop ze worden waargenomen:oppervlaktetopografie in een virtuele microscoop op nanometerschaal is niet te onderscheiden van de structuur van berglandschappen op kilometerschaal. "Dit is een verklaring, " zegt Pastewka, "over waarom een ​​bijna universele structuur van oppervlakteruwheid wordt waargenomen in experimenten."