Ingenieurs van Brown University hebben een nieuwe methode bedacht om de plakkerigheid van microschaaloppervlakken te meten. De techniek, beschreven in Proceedings van de Royal Society A , kan nuttig zijn bij het ontwerpen en bouwen van micro-elektromechanische systemen (MEMS), apparaten met microscopisch kleine bewegende delen.

Op de schaal van bruggen of gebouwen, de belangrijkste kracht waarmee geconstrueerde constructies te maken hebben, is de zwaartekracht. Maar op de schaal van MEMS - apparaten zoals de kleine versnellingsmeters die worden gebruikt in smartphones en Fitbits - neemt het relatieve belang van zwaartekracht af, en kleefkrachten worden belangrijker.

"Het belangrijkste dat er op microschaal toe doet, is wat aan wat blijft plakken, " zei Haneesh Kesari, een assistent-professor aan Brown's School of Engineering en co-auteur van het nieuwe onderzoek. "Als delen van je apparaat aan elkaar plakken, zou dat niet mogen, het gaat niet werken. Dus om MEMS-apparaten te ontwerpen, het helpt om een ​​goede manier te hebben om de hechting te meten in de materialen die we gebruiken."

Dat is wat Kesari en twee Brown-studenten, Wenqiang Fang en Joyce Mok, met dit nieuwe onderzoek wilden bereiken. specifiek, ze wilden een hoeveelheid meten die bekend staat als "adhesiewerk, " wat zich ruwweg vertaalt in de hoeveelheid energie die nodig is om een ​​oppervlakte-eenheid van twee gehechte oppervlakken te scheiden.

Het belangrijkste theoretische inzicht dat in de nieuwe studie is ontwikkeld, is dat thermische trillingen van een microstraal kunnen worden gebruikt om de hechtingskracht te berekenen. Dat inzicht suggereert een methode waarbij een licht gewijzigd atomaire krachtmicroscopie (AFM) -systeem kan worden gebruikt om adhesieve eigenschappen te onderzoeken.

Standaard AFM werkt een beetje als een platenspeler. Een cantilever met een scherpe naald beweegt over een doelmateriaal. Een laser op de cantilever meet de kleine golvingen die het maakt terwijl het langs de contouren van het materiaal beweegt. Die golvingen kunnen vervolgens worden gebruikt om de oppervlakte-eigenschappen van het materiaal in kaart te brengen.

Om de methode aan te passen om de hechting te meten, zou eenvoudigweg de metalen punt van de cantilever moeten worden verwijderd, een platte microstraal achterlaten. Die straal kan dan op een doelmateriaal worden neergelaten, waar het zich zal hechten. Wanneer de cantilever iets omhoog wordt gebracht, een deel van de balk zal losraken, terwijl de rest blijft hangen. Het losgeraakte deel van de balk trilt een beetje. De auteurs hebben een manier gevonden om de omvang van die trilling te gebruiken, die kan worden gemeten door een AFM-laser, om de lengte van het losgemaakte gedeelte te berekenen, die op zijn beurt kan worden gebruikt om het adhesiewerk van het doelmateriaal te berekenen.

Met kleine aanpassingen, een atoomkrachtmicroscoop zou kunnen worden gebruikt om hechting in micromaterialen te meten. Krediet:Kesari Lab/Brown University Fang zegt dat de techniek nuttig kan zijn bij het beoordelen van nieuwe materiaalcoatings of oppervlaktestructuren die gericht zijn op het verlichten van het falen van MEMS-apparaten door middel van plakken.

"Als je eenmaal een robuuste techniek hebt om de hechting van het materiaal te meten, dan heb je een systematische manier om deze methoden te evalueren om het hechtingsniveau te krijgen dat nodig is voor een bepaalde toepassing, "Zei Fang. "Het belangrijkste voordeel van deze methode is dat je een standaard AFM-opstelling niet veel hoeft te veranderen om dit te doen."

De aanpak is ook veel eenvoudiger dan andere technieken, volgens Mok.

"Vorige methoden op basis van interferometrie zijn arbeidsintensief en vereisen mogelijk veel datapunten, " zei ze. "Ons theoretisch raamwerk zou een waarde geven voor het werk van adhesie van een enkele meting."

Na de techniek numeriek te hebben gedemonstreerd, Kesari zegt dat de volgende stap is om het systeem te bouwen en te beginnen met het verzamelen van experimentele gegevens. Hij heeft goede hoop dat een dergelijk systeem zal helpen om het MEMS-veld vooruit te helpen.

"We hebben MEMS-versnellingsmeters en gyroscopen, maar ik denk dat het veld zijn belofte nog niet helemaal heeft waargemaakt, "Zei Kesari. "Een van de redenen daarvoor is dat mensen adhesie op kleine schaal nog niet helemaal hebben begrepen. We denken dat een robuustere manier om hechting te meten de eerste stap is om zo'n inzicht te krijgen."