Als we aan rimpels denken, we stellen ons meestal de lijnen voor die in onze huid zijn geëtst, voor sommigen een onwelkome realiteit en voor anderen een trots teken van een goed geleefd leven. In de materiaalkunde, rimpels kunnen ook gewenst of ongewenst zijn. Maar de fysieke factoren die rimpels veroorzaken, zijn nog niet volledig begrepen.

Nutsvoorzieningen, in een paper onlangs gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , onderzoekers van de wiskunde, Mechanica, en Materialen (MMM) Unit van het Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben aangetoond hoe rimpels kunnen worden vergroot of verkleind door de kromming aan de rand van een materiaal te veranderen.

"Historisch, wetenschappers en ingenieurs hebben zich gericht op het voorkomen van kreuken, die de prestaties van druksensoren nadelig kunnen beïnvloeden, vliegtuigen panelen, en lichtgewicht ruimtevaartuigconstructies, waaronder inzetbare ruimtegieken en telescopen, " zei professor Eliot Fried, die de MMM-eenheid leidt. “Maar recent onderzoek heeft ook aangetoond dat kreuken materialen nuttige eigenschappen kan geven. het kan worden gebruikt om een ​​materiaal superhydrofoob te maken of om coatings te maken die licht op unieke manieren reflecteren."

Diamanten kansen

De eenheid kwam voor het eerst in aanraking met het fenomeen van rimpels tijdens het werken met ultradunne nanokristallijne diamantfilms, gekweekt op een glasplaat.

"Ik verwijderde de glaslaag onder kleine delen van de nanokristallijne diamantfilm om diamantvensters te maken, " zei Dr. Stoffel Janssens, eerste auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker in de MMM-eenheid. "Diamantvensters zijn extreem moeilijk te maken, maar ze hebben echt opwindende potentiële toepassingen, inclusief het gebruik als een transparante structuur waarop een celcultuur kan worden gekweekt en gemakkelijk kan worden gevisualiseerd."

De wetenschappers ontdekten dat kreuken een onvermijdelijk onderdeel was van het maken van diamanten ramen. Het proces om de nanokristallijne diamantfilm bovenop de glasplaat te laten groeien, omvat het verwarmen en koelen van het substraat, waardoor de twee lagen in verschillende hoeveelheden uitzetten en krimpen, het genereren van spanning in de lagen, Dr. Janssens legde uit. Vervolgens, wanneer een gat in het glassubstraat wordt gemaakt door lasers en zuren om een ​​diamantvenster te vormen, de restspanning veroorzaakt het nu gesuspendeerde deel van de nanokristallijne diamantfilm, die niet meer aan de glasplaat is gehecht, vervormen en kreuken rond de rand.

"We realiseerden ons dat diamanten ramen een geweldige kans boden om enkele van de fysieke factoren te begrijpen die van invloed zijn op kreuken, " zei prof. Fried. "Door ronde diamantvensters te gebruiken, we hebben experimenteel het effect van diameter en randkromming op rimpels aangetoond, en toen ontwikkelden we ook een eenvoudig theoretisch model om te verklaren wat we hebben waargenomen."

Overbrugging van experiment en theorie

In de studie, de onderzoekers creëerden diamantvensters van verschillende afmetingen, en mat vervolgens de golflengte en het aantal rimpels die zich vormden in de opgehangen film rond de gebogen rand van elk diamantvenster.

Ze ontdekten dat naarmate de grootte van de diamantvensters groter werd, het verminderen van de kromming op de grens tussen de gebonden en gesuspendeerde nanokristallijne diamantfilm, de dichtheid van rimpels nam af, en de golflengte van elke rimpel was langer.

De onderzoekers maten ook het spanningsniveau - de hoeveelheid vervorming veroorzaakt door de spanning in de lagen - over de diamantvensters.

"Het op een conventionele manier meten van spanning over een 2D-materiaal is erg ingewikkeld en duur, maar we waren in staat om een ​​techniek te bedenken waarbij we in plaats daarvan het oppervlakteprofiel van het diamantvenster bepaalden - hoe hoog elk punt is - en vervolgens algoritmen ontwikkelden om de rekwaarden op te halen, " zei dr. Janssens.

Het team gebruikte vervolgens de experimentele resultaten om een ​​theoretisch model te ontwikkelen, waarvan zij denken dat ze kunnen worden gebruikt om apparaten te ontwerpen met functionele rimpels of verminderde rimpels.

Het model breidde ook uit op de experimenten, wat suggereert dat apparaten met een negatieve kromming verdere vermindering van kreuken zouden zien.

Vooruit gaan, de eenheid is geïnteresseerd in het creëren van diamanten ramen in de vorm van ringen, in plaats van cirkels. Hoewel het een grotere uitdaging is om te fabriceren, deze structuren hebben twee grenzen tussen de gesuspendeerde en bevestigde delen van nanokristallijne diamantfilms - één met positieve kromming en één met negatieve kromming - waardoor de wetenschappers experimenten kunnen gebruiken om de validiteit van hun model verder te onderzoeken.

"Algemeen, deze studie integreert theorie, berekening, experimenteren, en analyse, " zei Prof. Fried. "De interdisciplinaire omgeving die bij OIST werd gekoesterd, maakte dit werk mogelijk en heeft uiteindelijk alle onderzoekers van onze eenheid in staat gesteld om samen te werken en hun expertise uit te breiden."