Mensen kunnen meestal zien of iets ruw of glad is door met hun vingers over het oppervlak te gaan. Maar hoe zit het met dingen die te klein of te groot zijn om met een vinger over te gaan? De aarde ziet er glad uit vanuit de ruimte, maar iemand die aan de voet van de Himalaya staat, zou het daar niet mee eens zijn. Wetenschappers meten oppervlakken op verschillende schalen om rekening te houden met verschillende maten, maar deze schalen komen niet altijd overeen.

Nieuw onderzoek van de Swanson School of Engineering van de Universiteit van Pittsburgh heeft een ultrananokristallijne diamantcoating gemeten, gewaardeerd om zijn harde maar gladde eigenschappen, en toonde aan dat het veel ruwer is dan eerder werd aangenomen. Hun bevindingen kunnen onderzoekers helpen beter te voorspellen hoe oppervlaktetopografie de oppervlakte-eigenschappen beïnvloedt voor materialen die in verschillende omgevingen worden gebruikt, van microchirurgie en motoren tot satellietbehuizingen of ruimtevaartuigen.

"Een belangrijke maatstaf voor de 'ruwheid' van een oppervlak is de gemiddelde helling, dat is, hoe steil het is, " zegt Tevis Jacobs, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Pitt. "We ontdekten dat het oppervlak van deze nano-diamantfilm er enorm anders uitziet, afhankelijk van de schaal die je gebruikt."

Het onderzoek van Dr. Jacobs en zijn team verscheen in het tijdschrift American Chemical Society (ACS). ACS toegepaste materialen en interfaces . Ze namen meer dan 100 metingen van de diamantfilm, conventionele technieken combineren met een nieuwe benadering gebaseerd op transmissie-elektronenmicroscopie. De resultaten omvatten grootteschalen van één centimeter tot de atomaire schaal.

Dr. Jacobs legt uit, "Het oppervlak van de nanodiamant is zo glad dat je je reflectie erin kunt zien. Maar door al onze metingen te combineren, inclusief tot in de kleinste schalen, we hebben aangetoond dat dit "gladde" materiaal een gemiddelde helling van 50 graden heeft. Dit is steiler dan de Oostenrijkse Alpen, gemeten op de schaal van een menselijke voetstap (39 graden)."

"Door elektronenmicroscopie te gebruiken, we waren in staat om het kleinste uiteinde van het meetbereik te krijgen; we kunnen topografie niet eens onder de atomaire schaal definiëren, " zegt Dr. Jacobs. "Dan, door alle schalen samen te voegen, we waren in staat om van het probleem af te komen dat de ruwheid tussen schalen afwijkt. We kunnen 'echte' schaalinvariante ruwheidsparameters berekenen."

"We weten al honderd jaar dat oppervlakteruwheid de oppervlakte-eigenschappen bepaalt. De ontbrekende schakel is dat we het effect ervan niet hebben kunnen kwantificeren. in biomedische toepassingen, verschillende onderzoeken zijn tot tegengestelde conclusies gekomen over de vraag of ruwheid celadhesie bevordert of verslechtert. We geloven dat dit nieuwe begrip van ruwheid over schalen de deur zal openen om eindelijk deze eeuwenoude puzzel in oppervlakteanalyse op te lossen."

Het uiteindelijke doel is om voorspellende modellen te hebben van hoe ruwheid oppervlakte-eigenschappen zoals hechting, wrijving of de geleiding van warmte of elektriciteit. De doorbraak van Dr. Jacobs is de eerste stap in een bergopwaartse, en erg steil, strijd om deze modellen te creëren en te valideren.

"We doen momenteel eigenschappenmetingen van dit nanodiamantmateriaal en vele andere oppervlakken om mechanische modellen toe te passen om topografie en eigenschappen te koppelen, "zegt hij. "Door de schalen of de combinatie van schalen te vinden die het belangrijkst zijn voor een bepaalde toepassing, we kunnen vaststellen met welke oppervlakteafwerkingstechnieken de beste resultaten worden behaald, het verminderen van de noodzaak van een kostbare en tijdrovende trial-and-errr-aanpak."