Onderzoekers van de Brown University hebben een ontdekking gedaan over de manier waarop dingen op kleine schaal aan elkaar kleven, wat nuttig zou kunnen zijn bij het ontwerpen van apparaten op micro- en nanoschaal.

In een reeks kranten, waarvan de laatste is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , de onderzoekers laten zien dat minuscule verschillen in de ruwheid van een oppervlak voor verrassende veranderingen kunnen zorgen in de manier waarop twee oppervlakken aan elkaar hechten. Bepaalde niveaus van ruwheid, de onderzoeken laten zien, kan ervoor zorgen dat de oppervlakken verschillende hoeveelheden kracht op elkaar uitoefenen, afhankelijk van of ze tegen elkaar worden geduwd of uit elkaar worden getrokken.

"Mensen hebben meer dan 100 jaar aan hechting gewerkt, maar geen van de bestaande theorieën heeft dit vastgelegd, " zei Weilin Deng, een doctoraat student aan Brown en de hoofdauteur van de studie. "Tijdens dit werk we hebben met experimenten laten zien dat dit echt bestaat en nu hebben we een theoretisch kader dat het vastlegt."

Het is een subtiel inzicht dat belangrijke implicaties kan hebben voor engineering op nanoschaal, zeggen de onderzoekers. Op zeer kleine schaal, een familie van adhesiekrachten genaamd van der Waals-krachten domineren. Het is dus van cruciaal belang om een ​​beter begrip te hebben van hoe die krachten werken.

"Op de submicron schalen, de adhesieve krachten worden dominant, terwijl de kracht als gevolg van de zwaartekracht in vergelijking daarmee in wezen zinloos is, " zei Haneesh Kesari, een assistent-professor aan Brown's School of Engineering die toezicht hield op het onderzoek. "Daarom kunnen kleine insecten zoals vliegen en mieren zonder problemen muren en plafonds beklimmen. Dus vanuit praktisch oogpunt, als we op die schaal willen engineeren, we hebben een meer complete theorie nodig over hoe adhesieve krachten materiaaloppervlakken vervormen en vormen, en in combinatie met oppervlakteruwheid beïnvloeden hoe oppervlakken blijven plakken, en over elkaar heen glijden."

Deze onderzoekslijn begon tien jaar geleden toen Kesari experimenten uitvoerde om hechting op kleine schaal te testen. "Deze experimenten waren de meest elementaire manier om het probleem te bestuderen, "Zei Kesari. "We brengen gewoon twee vaste stoffen bij elkaar en trekken ze weer uit elkaar terwijl we de krachten tussen de twee oppervlakken meten."

Om dit op microschaal te doen, Kesari gebruikte een atomic force microscope (AFM) apparaat. Een AFM is een beetje zoals een kleine platenspeler. Een cantilever met een kleine naald die aan het ene uiteinde hangt, wordt over een oppervlak gesleept. Door te meten hoeveel de cantilever op en neer beweegt, onderzoekers kunnen de fysieke kenmerken van een oppervlak in kaart brengen. Voor Kesari's experimenten, hij heeft de opstelling iets aangepast. Hij verving de naald door een kleine glazen kraal en gebruikte de cantilever om de kraal eenvoudig omhoog en omlaag te brengen - hem in contact te brengen met een substraat en hem vervolgens steeds weer terug te trekken. Het substraat is gemaakt van PDMS, een zacht polymeermateriaal dat vaak wordt gebruikt in op microschaal ontwikkelde systemen. De cantilever mat de krachten die de twee oppervlakken op elkaar uitoefenden.

De experimenten toonden aan dat naarmate de kraal en het PDMS dicht bij elkaar kwamen of elkaar nauwelijks raakten, er was een aantrekkingskracht tussen de twee. Toen de twee volledig in contact waren en de cantilever naar beneden bleef duwen, de kracht sloeg om - de twee vaste stoffen probeerden elkaar weg te duwen. Toen de cantilever weer omhoog werd gebracht en de twee vaste delen uit elkaar gingen, de aantrekkingskracht keerde terug totdat het gat groot genoeg was om de kracht volledig te laten verdwijnen.

Die resultaten waren niet verrassend. Ze waren in overeenstemming met hoe adhesie gewoonlijk wordt verondersteld te werken. Het verrassende was dit:de hoeveelheid aantrekkingskracht tussen de kraal en het PDMS-substraat was verschillend, afhankelijk van of de cantilever op weg was naar boven of naar beneden.

"Dat was heel verrassend voor mij, "zei Kesari. "Je hebt exact dezelfde scheidingsafstand, maar de krachten zijn anders bij het laden dan bij het lossen. Er was niets in de theoretische literatuur om het uit te leggen."

Kesari voerde het experiment op verschillende, enigszins verschillende manieren uit om verstorende factoren uit te sluiten. zoals op vloeistof gebaseerde zuigkracht tussen de twee oppervlakken of een soort van scheuren van de PDMS-polymeren. Nadat hij had aangetoond dat het effect dat hij ontdekte geen artefact was van een bekend proces, Kesari ging op zoek naar wat er aan de hand was.

Het antwoord bleek te gaan over oppervlakteruwheid - minuscule hoeveelheden ruwheid die onbeduidend zouden zijn in dezelfde materialen op grotere schaal of in stijvere materialen op dezelfde schaal. Kesari en zijn studenten begonnen een wiskundig model te maken van hoe deze ruwheid de hechting zou kunnen beïnvloeden.

Algemeen, de theorie voorspelt dat de taaiheid van het grensvlak - het werk dat nodig is om twee oppervlakken te scheiden - gestaag toeneemt naarmate de ruwheid tot een bepaald punt toeneemt. Na dat piekruwheidspunt, de taaiheid neemt snel af.

"Deze uitgebreide theorie helpt om te verifiëren dat wat we zagen in onze experimenten echt was, "Zei Kesari. "Het is nu ook iets dat kan worden gebruikt in engineering op nanoschaal."

Bijvoorbeeld, hij zegt, een volledig begrip van adhesie is nuttig bij het ontwerpen van micro-elektromechanische systemen - apparaten met bewegende delen op micro- en nanoschaal. Zonder goed rekening te houden met hoe die kleine onderdelen kunnen plakken en losraken, ze kunnen zichzelf gemakkelijk aan stukken malen. Een andere toepassing zou het gebruik van patronen op nanoschaal van oppervlakken kunnen zijn. Het is misschien mogelijk om oppervlakken met nanopatronen te gebruiken om zonnepanelen te maken die bestand zijn tegen stofophoping, die hen van hun efficiëntie berooft.

"Er is genoeg dat we kunnen doen door te construeren op micro- en nanoschaal, "Zei Kesari. "Maar het zal helpen als we een beter begrip hebben van de fysica die op die schalen belangrijk is.