Ju mindre föremål, speciellt på atomär eller subatomär nivå, ju främmande det beter sig. Till exempel, när tekniska enheter blir mindre och mindre, de ännu mindre delarna är mer benägna för vidhäftning eller "klibbighet". När små delar kommer i kontakt, de klibbar spontant ihop och kan inte lätt dras isär. Dock, Ny forskning vid University of Pittsburgh kan "lösa" problemet och förbättra nästa generation av mikroenheter som alltmer används i vardagen.

"Ytor tenderar att attrahera varandra via elektroniska eller kemiska interaktioner, " säger Tevis Jacobs, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Pitt's Swanson School of Engineering. "Detta är särskilt problematiskt eftersom saker blir små. Du kan se detta när du maler kaffe. Hela bönorna fastnar inte vid sidan av kvarnen, men en fin malning kommer att hålla fast vid allt, speciellt på en torr dag."

Dr. Jacobs är huvudutredare för studien "Understanding and Levaging the Effect of Nanoscale Roughness on Macroscale Adhesion, "som fick $305, 123 från National Science Foundation (NSF) för att mäta ytjämnhet och karakterisera det grundläggande förhållandet mellan vidhäftning och grovhet vid små storlekar. Dr. Jacobs och hans team kommer att avgöra när små föremål föredrar att hålla ihop.

"En anledning till att små delar fastnar lättare än stora delar är förhållandet mellan yta och volym, " säger Dr. Jacobs. "För stora delar, det finns mycket volym i förhållande till ytan, så vidhäftningen är relativt svag jämfört med kroppskrafter, som gravitationen. När delarna blir små, ytkrafterna blir större i förhållande till kroppskrafterna och delarna fastnar spontant."

För många tekniska material, öka ett föremåls ytjämnhet gör det mindre sannolikt att de små delarna håller ihop. Den allmänna anledningen till att grovhet minskar vidhäftningen är välkänd.

"Föreställ dig en kub med 1-tums sidor som sitter på ett bord. Om ytorna är helt plana, då kommer den i kontakt med bordet över en yta på en kvadrattum, Dr. Jacobs förklarar. "Om du slipar ytan med sandpapper och lägger tillbaka den på bordet, grovheten förhindrar nära kontakt i vissa områden. Faktiskt, kuben kanske bara stöds av ett litet antal kontaktpunkter. Den "verkliga kontaktytan" kan vara 1000 gånger mindre än en kvadrattum."

Pitts forskargrupp utvecklar och testar analytiska och numeriska modeller för att kunna göra kvantitativa Jacobs Alt Adhesion Int-förutsägelser av vidhäftning mellan grova ytor. Detta arbete kommer också att vägleda ingenjörer i att avsiktligt modifiera grovheten för att uppnå en önskad vidhäftningsnivå.

En bättre förståelse för hur man minskar klibbighet i små storlekar kommer sannolikt att ha störst inverkan på mikroenheter, som ofta används inom hemelektronik, biomedicinska apparater, halvledarindustrin, och försvarsansökningar. Forskningen är också tillämplig på de nya tillverkningstekniker som är banbrytande för att skapa dessa mikroenheter, gör det möjligt för tillverkare att undvika adhesionsrelaterade problem.

"Ett klassiskt exempel på vidhäftning som orsakar problem är Digital Micromirror Device från Texas Instruments, " säger Dr. Jacobs. "Den här projektorn, som den som används i auditorier, involverar en serie mikroelektroniska enheter som flyttar små speglar för att få projektorn att fungera. Produkten löstes nästan helt upp genom vidhäftning i de mikroelektroniska anordningarna. De skulle fastna i en specifik position och inte kunna röra sig, vilket resulterar i en "fast pixel" på skärmen."

Pitt-forskarna förstår inte bara ytjämnhet och dess effekt på ytvidhäftning, de utvecklar också metoder för att modifiera mikroenheterna för att uppnå en önskad vidhäftningsnivå.

"Det finns många olika modeller som beskriver grovhet och vidhäftning, men ingen är väl verifierad experimentellt, " säger Dr. Jacobs. "Vi använder helt nya tekniker för att mäta grovheten, att experimentera med olika typer av grovhet, och för att mäta den resulterande vidhäftningen. Vårt mål är att testa de befintliga modellerna av vidhäftning och grovhet och att etablera nya modeller som är mer kvantitativa och förutsägande."

2015, Dr. Jacobs fick ett NSF-anslag för att observera och mäta atomär ytstruktur av nanomaterial med hjälp av elektronmikroskopi. Denna nya studie bygger på hans tidigare forskning och kommer att använda en kombination av transmissionselektronmikroskopi för att karakterisera tidigare omättade ytskalor och en anpassad mikromekanisk testare för att mäta ytvidhäftning.