De flesta naturliga och konstgjorda ytor är grova:Metaller och till och med glasögon som verkar släta för blotta ögat kan se ut som taggiga bergskedjor under mikroskopet. Det finns för närvarande ingen enhetlig teori om ursprunget till denna grovhet trots dess närvaro på alla skalor, från det atomära till det tektoniska. Forskare misstänker att grova tillverkade ytor bildas av irreversibel plastisk deformation som uppstår i många processer för mekanisk bearbetning av komponenter, såsom fräsning. Prof. Dr. Lars Pastewka från simuleringsgruppen vid Institutionen för mikrosystemteknik vid universitetet i Freiburg och hans team har simulerat sådana mekaniska belastningar i datorsimuleringar. Forskarna fick reda på att ytor gjorda av olika material, som visar tydliga mekanismer för plastisk deformation, utveckla alltid ytjämnhet med identiska statistiska egenskaper. De har publicerat sina resultat i Vetenskapens framsteg .

Geologiska ytor som bergskedjor skapas genom mekanisk deformation, vilket sedan leder till processer som brott eller slitage. Syntetiska ytor går vanligtvis igenom många steg av formning och efterbehandling, som polering, labbning och slipning, förklarar Pastewka. De flesta av dessa yta förändras, oavsett om det är naturligt eller syntetiskt, leda till plastiska deformationer på den minsta atomlängdskalan:"Även vid sprickspetsarna på de flesta spröda material som glas, det finns en begränsad processzon där materialet deformeras plastiskt, " säger Freiburg-forskaren. "Ojämnhet på dessa minsta skalor är viktig eftersom den kontrollerar området för intim atomkontakt när två ytor pressas samman och därmed vidhäftning, ledningsförmåga och andra funktionella egenskaper hos ytor i kontakt."

I samarbete med kollegor från Karlsruhe Institute of Technology, École Polytechnique Fédérale de Lausanne/Schweiz, och Sandia National Laboratories/U.S., och finansieras av European Research Council (ERC), Pastewka och hans grupp kunde simulera yttopografin för tre referensmaterialsystem vid superdatorerna JUQUEEN och JUWELS vid Jülich Supercomputing Centre, som inkluderade monokristallint guld, en legering med hög entropi av nickel, järn och titan, och det metalliska glaset koppar-zirkonium, där atomerna inte bildar ordnade strukturer utan ett oregelbundet mönster. Vart och ett av dessa tre material är känt för att ha olika mikromekaniska eller molekylära egenskaper. Forskarna undersökte nu mekanismen för deformationen och de resulterande förändringarna i atomskalan både inom det fasta ämnet och på dess yta.

Pastewka, som också är medlem i Cluster of Excellence Living, Adaptiva och energiautonoma materialsystem (livMatS), och hans team fann att trots deras olika strukturer och materialegenskaper, alla tre systemen, när den är komprimerad, utveckla grova ytor med en så kallad självaffinerad topografi. Det betyder att systemen har identiska geometriska strukturer oavsett i vilken skala de observeras:Yttopografi i ett virtuellt mikroskop på nanometerskala kan inte särskiljas från strukturen i bergslandskap på kilometerskalan. "Detta är en förklaring, säger Pastewka, "om varför en nästan universell struktur av ytjämnhet observeras i experiment."