Детали исследования липких ситуаций на наноуровне. Исследователи из Университета Брауна сделали открытие о том, как вещи слипаются в крошечных масштабах, что может помочь в разработке микро- и наноразмерных устройств.

В очень малых масштабах силы сцепления являются доминирующими. В исследовании, которое может быть полезным в наноразмерной инженерии, новое исследование показывает, как незначительные величины шероховатости поверхности могут влиять на липкость. Фото: Kesari Lab / Университет Брауна

В серии статей, последняя из которых опубликована в научных отчетах , исследователи показывают, что незначительные различия в шероховатости поверхности могут вызывать удивительные изменения в способе сцепления двух поверхностей друг с другом. Исследования показывают, что при определенных уровнях шероховатости поверхности могут оказывать различное воздействие друг на друга в зависимости от того, сжимаются они или растягиваются.

«Люди работали над адгезией более 100 лет, но ни одна из существующих теорий не уловила этого», — сказал доктор философии Вейлин Дэн. студент в Брауне и ведущий автор исследования. «В ходе этой работы мы показали экспериментами, что это действительно существует, и теперь у нас есть теоретическая основа, которая фиксирует это».

Исследователи утверждают, что это тонкое понимание может иметь важные последствия для наноразмерной инженерии. В очень малых масштабах доминирует семейство сил сцепления, называемых силами Ван-дер-Ваальса. Поэтому полное понимание того, как работают эти силы, очень важно.

«В субмикронных масштабах силы сцепления становятся доминирующими, в то время как сила тяжести по сравнению с ними по существу бессмысленна», — сказал Ханиш Кесари, доцент в Школе инженерии Брауна, которая курировала исследования. «Вот почему маленькие насекомые, такие как мухи и муравьи, могут без проблем масштабировать стены и потолки. Таким образом, с практической точки зрения, если мы хотим разрабатывать в таких масштабах, нам нужна более полная теория о том, как силы адгезии деформируют и формируют поверхности материала, и в сочетании с шероховатостью поверхности влияют на то, как поверхности прилипают и скользят друг на друга».

Это направление исследований началось десять лет назад, когда Кесари проводил эксперименты по проверке адгезии в небольших масштабах. «Эти эксперименты были самым элементарным способом изучения проблемы», — сказал Кесари. «Мы просто соединяем два твердых тела и снова разрываем их, измеряя силы между двумя поверхностями».

Для этого на микроуровне Кесари использовал аппарат атомно-силового микроскопа (АСМ). АСМ немного похож на крошечный проигрыватель. Кантилевер с маленькой иглой, свисающей с одного конца, тянется по поверхности. Измеряя, сколько кантилевер колеблется вверх и вниз, исследователи могут наметить физические особенности поверхности. Для экспериментов Кесари он немного изменил настройку. Он заменил иглу крошечной стеклянной бусиной и использовал консоль, чтобы просто поднимать и опускать бусину, приводя ее в контакт с субстратом, а затем снова и снова оттягивая. Подложка была изготовлена ​​из PDMS, мягкого полимерного материала, часто используемого в микромасштабных инженерных системах. Кантилевер измерял силы, которые две поверхности оказывали друг на друга.

Эксперименты показали, что, когда шарик и PDMS сблизились или едва касались друг друга, между ними возникла сила притяжения. Когда они полностью соприкоснулись, и консоль продолжила толкать вниз, сила перевернулась — два тела пытались оттолкнуть друг друга. Когда кантилевер был снова поднят и два твердых тела раздвинулись, сила притяжения вернулась, пока зазор не стал достаточно большим, чтобы сила полностью исчезла.

Эти результаты не были удивительными. Они соответствовали тому, как обычно считается, что адгезия работает. Удивительная часть заключалась в следующем: величина силы притяжения между валиком и подложкой из PDMS была разной в зависимости от того, был ли кантилевер поднимался или опускался.

«Это было очень удивительно для меня», — сказал Кесари. «У вас точно такое же расстояние отрыва, но силы при загрузке различаются по сравнению с разгрузкой. В теоретической литературе не было ничего, что могло бы это объяснить».

Кесари выполнил эксперимент несколькими слегка отличающимися способами, чтобы исключить смешивающие факторы, такие как жидкостное всасывание между двумя поверхностями или некоторый вид разрыва полимеров PDMS. Показав, что обнаруженный им эффект не является артефактом какого-либо известного процесса, Кесари решил выяснить, что происходит.

Ответ оказался связан с шероховатостью поверхности — незначительными величинами шероховатости, которые были бы незначительными в тех же материалах в больших масштабах или в более жестких материалах в тех же масштабах. Кесари и его ученики приступили к созданию математической модели влияния этой шероховатости на адгезию.

В целом, теория предсказывает, что прочность интерфейса — работа, необходимая для разделения двух поверхностей — постоянно увеличивается по мере увеличения шероховатости до определенной точки. После этой пиковой точки шероховатости вязкость быстро падает.

«Эта всеобъемлющая теория помогает проверить, что то, что мы видели в наших экспериментах, было реальным», — сказал Кесари. «Теперь это также то, что может быть использовано в наноразмерной инженерии».

Например, он говорит, что полное понимание адгезии полезно при разработке микроэлектромеханических систем — устройств с микро- и наноразмерными движущимися частями. Без должного учета того, как эти крошечные части могут прилипать и отлипать, они могут легко перемолоться. Другое применение может быть использование наноразмерных рисунков поверхностей. Возможно использовать поверхности с наноструктурой для создания солнечных панелей, которые противостоят скоплению пыли, что лишает их эффективности.

«Мы можем многое сделать, спроектировав микро- и наноразмеры», — сказал Кесари. «Но это поможет, если у нас будет лучшее понимание физики, которая важна в этих масштабах.

По материалам phys.org