Brown University-ingenjörer har tagit fram en ny metod för att mäta klibbigheten hos mikroskaliga ytor. Tekniken, beskrivs i Förfaranden från Royal Society A , kan vara användbart för att designa och bygga mikroelektromekaniska system (MEMS), enheter med mikroskopiska rörliga delar.

I skala över broar eller byggnader, den viktigaste kraften som konstruerade strukturer behöver hantera är gravitationen. Men i skala MEMS - enheter som de små accelerometrarna som används i smartphones och Fitbits - minskar tyngdkraftens relativa betydelse, och vidhäftningskrafterna blir viktigare.

"Det viktigaste i mikroskala är vad som håller fast vid vad, "sa Haneesh Kesari, en biträdande professor i Brown's School of Engineering och medförfattare till den nya forskningen. "Om du har delar av din enhet som hänger ihop bör det inte vara så, det kommer inte att fungera. Så för att designa MEMS -enheter, det hjälper till att ha ett bra sätt att mäta vidhäftning i de material vi använder. "

Det är vad Kesari och två bruna doktorander, Wenqiang Fang och Joyce Mok, försökte åstadkomma med denna nya forskning. Specifikt, de ville mäta en kvantitet som kallas "vidhäftningsarbete, "vilket grovt översätter sig till den mängd energi som krävs för att separera en yta på två vidhäftade ytor.

Den viktigaste teoretiska insikten som utvecklats i den nya studien är att termiska vibrationer i en mikrostråle kan användas för att beräkna vidhäftningsarbete. Denna insikt antyder en metod där ett något modifierat atomkraftmikroskopi (AFM) -system kan användas för att undersöka vidhäftningsegenskaper.

Standard AFM fungerar lite som en skivspelare. En fribärare med en skarp nål rör sig över ett målmaterial. En laser som visas på fribärningen mäter de små böljningar den gör när den rör sig längs materialets konturer. Dessa böljningar kan sedan användas för att kartlägga materialets ytegenskaper.

Att anpassa metoden för att mäta vidhäftning kräver att man helt enkelt tar bort metallspetsen från fribärningen, lämnar en platt mikrostråle. Denna stråle kan sedan sänkas ned på ett målmaterial, där den kommer att fästa. När cantilever är något höjd, en del av strålen kommer att fastna, medan resten sitter fast. Den ostoppade delen av strålen kommer att vibrera så lätt. Författarna hittade ett sätt att använda omfattningen av den vibrationen, som kan mätas med en AFM -laser, för att beräkna längden på den ostoppade delen, som i sin tur kan användas för att beräkna målmaterialets vidhäftningsarbete.

Med små ändringar, ett atomkraftmikroskop kan användas för att mäta vidhäftning i mikromaterial. Kesari Lab/Brown University Fang säger att tekniken kan vara användbar för att bedöma nya materialbeläggningar eller ytstrukturer som syftar till att lindra misslyckandet hos MEMS -enheter genom att klibba.

"När du väl har en robust teknik för att mäta materialets vidhäftningsarbete, då har du ett systematiskt sätt att utvärdera dessa metoder för att få den vidhäftningsnivå som behövs för en viss applikation, "Fang sa." Den största fördelen med denna metod är att du inte behöver ändra en standard AFM -inställning särskilt mycket för att göra detta. "

Tillvägagångssättet är också mycket enklare än andra tekniker, enligt Mok.

"Tidigare metoder baserade på interferometri är arbetskrävande och kan kräva att många datapunkter tas, "sa hon." Vår teoretiska ram skulle ge ett värde för arbetet med vidhäftning från en enda mätning. "

Efter att ha demonstrerat tekniken numeriskt, Kesari säger att nästa steg är att bygga systemet och börja samla in experimentella data. Han hoppas att ett sådant system kommer att hjälpa till att driva MEMS -fältet framåt.

"Vi har MEMS -accelerometrar och gyroskop, men jag tror inte att fältet riktigt har uppfyllt sitt löfte ännu, "Kesari sa." En del av anledningen till det är att människor inte helt har förstått vidhäftning i liten skala. Vi tror att ett mer robust sätt att mäta vidhäftning är det första steget mot att få en sådan förståelse. "