CNST-projectleider Rachel Cannara en medewerkers van de United States Naval Academy (USNA) en de University of Pennsylvania hebben aangetoond dat oppervlakteruwheid op atomaire schaal een sterke invloed heeft op de hechting van diamant, amorfe koolstof, en model diamant nanocomposieten.

Met behulp van atomic force microscope (AFM) metingen uitgevoerd aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, moleculaire dynamica (MD) simulaties, en ab initio dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), ze onderzochten de adhesieve fysica en mechanica van nanoschaalinterfaces tussen diamantoppervlakken.

Voor atomair gladde oppervlakken, de grotere dichtheid van atomen in het (111) vlak zou naar verwachting leiden tot een hoger elektrostatisch dipoolmoment per oppervlakte-eenheid en een hoger adhesiewerk dan de (001) oriëntatie. Echter, de AFM-metingen, ondersteund door gedetailleerde simulaties van model diamant nanocomposieten, deze veronderstelling uitdagen op een manier die alleen kan worden verklaard door variaties in oppervlakteruwheid op atomair niveau, die voor eenkristallen kunnen ontstaan ​​door oriëntatie-afhankelijke groeimechanismen.

In tegenstelling tot eerdere ab initio-onderzoeken die oppervlakte-energieën voor diamant (111)(1×1)-H-oppervlakken en niet-gereconstrueerde diamant (001)(1×1)-H-oppervlakken vergeleken, de MD-simulaties uitgevoerd bij USNA simuleren het (2×1)-gereconstrueerde C(001)-H-oppervlak. De simulaties voorspellen dat het C(001)(2x1)-H-oppervlak energetisch gunstig is voor het niet-gereconstrueerde oppervlak. Door deze simulaties te bevestigen, zeer nauwkeurige AFM laterale krachtbeelden van het (001) oppervlak onthulden (2 × 1) dimeerrijdomeinen.

Naast het gebruik van de juiste (001) oppervlaktestructuur, de MD-simulaties houden rekening met lange-afstands-van der Waals-interacties, evenals oppervlakte-energieën, bij het berekenen van het werk van hechting voor elke interface. Bovendien, de ab initio DFT-berekeningen onthullen de aanwezigheid van bindingsdipolen op monokristallijne diamantoppervlakken.

Met behulp van AFM, de contactmechanica van de interface werd geëxtraheerd uit de belastingsafhankelijkheid van het contactgebied tijdens glijdende wrijvingsexperimenten. De adhesiewerken werden vervolgens berekend op basis van het juiste contactmechanische model en op basis van trekkrachten gemeten tijdens de glij-experimenten en quasistatische kracht-verplaatsingsmetingen. Deze resultaten hebben brede implicaties voor het ontwerp van MEMS/NEMS-apparaten die diamant of diamantachtige materialen bevatten.