Поверхность материала наноалмаза измеряли на атомном уровне с использованием просвечивающего электронного микроскопа. Было установлено, что местный склон круче, чем у австрийских Альп, измеренных в масштабе человека. Фото: Тевис Якобс

Люди обычно могут определить, является ли что-то грубым или гладким, проводя пальцами по его поверхности. Но как насчет вещей, которые слишком малы или слишком велики, чтобы на них указывать? Земля выглядит гладкой из космоса, но кто-то, стоящий у подножия Гималаев, не согласится. Ученые измеряют поверхности в разных масштабах, чтобы учесть разные размеры, но эти масштабы не всегда совпадают.

Новое исследование, проведенное в Университете Питтсбурга в Школе Свансона, измерило ультрананокристаллическое алмазное покрытие, которое ценилось за его твердые, но гладкие свойства, и показало, что оно намного грубее, чем считалось ранее. Их результаты могут помочь исследователям лучше предсказать, как топография поверхности влияет на свойства поверхности для материалов, используемых в различных средах от микрохирургии и двигателей до корпусов спутников или космических аппаратов.

«Одной важной мерой« шероховатости »поверхности является ее средний уклон, то есть насколько он крут, – говорит Тевис Якобс, доцент кафедры машиностроения и материаловедения в Pitt. «Мы обнаружили, что поверхность этой наноалмазной пленки сильно отличается в зависимости от масштаба, который вы используете». 

Исследование доктора Джейкобса и его команды появилось в журнале Американского химического общества (ACS)  ACS Applied Materials and Interfaces . Они провели более 100 измерений алмазной пленки, комбинируя традиционные методы с новым подходом, основанным на просвечивающей электронной микроскопии. Результаты охватывали размеры от одного сантиметра до атомного масштаба. 

Д-р Джейкобс объясняет: «Поверхность наноалмаза достаточно гладкая, чтобы вы могли увидеть свое отражение в ней. Тем не менее, объединив все наши измерения, в том числе вплоть до самых маленьких масштабов, мы показали, что этот« гладкий »материал имеет средний уклон 50 градусов. «Это круче, чем в Австрийских Альпах, если измерять по шкале человеческого шага (39 градусов)».

«Используя электронную микроскопию, мы смогли получить самый маленький конец диапазона измерений; мы даже не можем определить топографию ниже атомного масштаба», – говорит д-р Джейкобс. «Затем, объединив все шкалы вместе, мы смогли избавиться от проблемы отклонения шероховатости между шкалами. Мы можем рассчитать« истинные »масштабно-инвариантные параметры шероховатости».

«Уже сто лет мы знаем, что шероховатость поверхности контролирует свойства поверхности. Недостающее звено заключается в том, что мы не смогли количественно оценить его влияние. Например, в биомедицинских приложениях разные исследования пришли к противоположным выводам о том, способствует ли шероховатость или ухудшает клеточную адгезию. Мы верим, что это новое понимание шероховатости по шкале откроет дверь к окончательному решению этой давней загадки в анализе поверхности ».

Конечная цель состоит в том, чтобы иметь прогностические модели того, как шероховатость определяет такие характеристики поверхности, как адгезия, трение или теплопроводность или электричество. Прорыв доктора Джейкобса – это первый шаг в тяжелой и очень крутой битве за создание и проверку этих моделей.

«В настоящее время мы проводим измерения свойств этого наноалмазного материала и многих других поверхностей, чтобы применять механические модели для связи топографии и свойств», – говорит он. «Найдя весы или комбинацию весов, которые наиболее важны для конкретного применения, мы можем установить, какие методы отделки поверхности дадут наилучшие результаты, уменьшив потребность в дорогостоящем и пробном подходе, основанном на методах проб и ошибок».

По материалам сайта phys.org