Rynkor i diamantfönstret orsakas av spänning i lagren av diamant och glas. Diamantfönstret i bild a, som är mindre än diamantfönstret i bild b, har en högre densitet av rynkor. Upphovsman:Okinawa Institute of Science and Technology
När vi tänker på rynkor, vi brukar se för oss linjerna etsade in i vår hud, för vissa en ovälkommen verklighet och för andra ett stolt tecken på ett väl levt liv. Inom materialvetenskap, rynkor kan också vara antingen önskade eller oönskade. Men de fysiska faktorer som orsakar rynkor uppstår ännu inte helt.
Nu, i en tidning som nyligen publicerades i Tillämpad fysikbokstäver , forskare från matematiken, Mekanik, och Material (MMM) -enheten vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har visat hur rynkor kan ökas eller minskas genom att ändra krökning i kanten av ett material.
"Historiskt sett forskare och ingenjörer har fokuserat på att förhindra rynkor, som kan påverka prestandan hos trycksensorer negativt, flygplanspaneler, och lätta rymdskeppsstrukturer inklusive utplacerade rymdbommar och teleskop, "sade professor Eliot Fried, som leder MMM -enheten. "Men ny forskning har också visat att rynkor kan ge material användbara egenskaper. Till exempel, det kan användas för att göra ett material superhydrofobt eller för att göra beläggningar som reflekterar ljus på unika sätt. "
Diamantfönster av möjligheter
Enheten stötte först på fenomenet rynkor under arbetet med ultratunna nanokristallina diamantfilmer, odlas på ett glasskiva.
"Jag tog bort glasskiktet under små områden av den nanokristallina diamantfilmen för att skapa diamantfönster, sa Dr Stoffel Janssens, första författare till studien och postdoktoral forskare i MMM -enheten. "Diamantfönster är extremt svåra att göra, men de har riktigt spännande potentiella applikationer, inklusive att användas som en transparent struktur på vilken en cellkultur kan odlas och enkelt visualiseras. "
Forskarna använde ett lasermikroskop för att bestämma höjden över diamantfönsterets yta för att beräkna belastningsnivån. För detta diamantfönster, den suspenderade nanokristallina diamantfilmen spänner nedåt under glasytan. Upphovsman:Okinawa Institute of Science and Technology
Forskarna fann att rynkor var en oundviklig del av att tillverka diamantfönster. Processen att odla den nanokristallina diamantfilmen ovanpå glasskivan innebär uppvärmning och kylning av substratet, vilket får de två lagren att expandera och dra ihop sig med olika mängder, genererar stress i skikten, Dr Janssens förklarade. Sedan, när ett hål i glasunderlaget görs av lasrar och syror för att bilda ett diamantfönster, restspänningen orsakar den nu suspenderade delen av nanokristallin diamantfilm, som inte längre är bunden till glasskivan, att deformeras och skrynklas runt kanten.
"Vi insåg att diamantfönster gav ett utmärkt tillfälle att förstå några av de fysiska faktorer som påverkar rynkor, "sa professor Fried." Med cirkulära diamantfönster, vi demonstrerade experimentellt effekten av diameter och gränskurvatur på rynkor, och sedan utvecklade vi också en enkel teoretisk modell för att förklara vad vi observerade. "
Överbryggande experiment och teori
I studien, forskarna skapade diamantfönster av olika storlek, och mätte sedan våglängden och antalet rynkor som bildades i den suspenderade filmen runt den krökta kanten på varje diamantfönster.
De fann att när diamantfönstren ökade, minska krökning vid gränsen mellan den bundna och suspenderade nanokristallina diamantfilmen, tätheten av rynkor minskade, och våglängden för varje rynka var längre.
Forskarna mätte också belastningsnivån - mängden deformation som orsakas av spänningen i lagren - över diamantfönstren.
Forskarna hoppas kunna tillverka ringformade diamantfönster, som har gränser med både positiv och negativ krökning. Kreditera:
"Att mäta töjning över ett 2-D-material på ett konventionellt sätt är mycket komplicerat och dyrt, men vi kunde utforma en teknik där vi istället bestämde ytprofilen för diamantfönstret - hur hög varje punkt är - och sedan utvecklade algoritmer för att hämta stamvärdena, "sa doktor Janssens.
Teamet använde sedan de experimentella resultaten för att utveckla en teoretisk modell, som de tror kan användas för att designa enheter med funktionella rynkor eller minskad rynkning.
Modellen utökade också experimenten, tyder på att enheter som innehåller en negativ krökning skulle se ytterligare minskningar av rynkor.
Går framåt, enheten är intresserade av att skapa diamantfönster i form av ringar, snarare än cirklar. Även om det är mer utmanande att tillverka, dessa strukturer har två gränser mellan de upphängda och bifogade delarna av nanokristallina diamantfilmer - en med positiv krökning och en med negativ krökning - så att forskarna kan använda experiment för att ytterligare utforska giltigheten av deras modell.
"Övergripande, denna studie integrerar teori, beräkning, experimenterande, och analys, "sade professor Fried." Den tvärvetenskapliga miljö som främjas vid OIST gjorde detta arbete möjligt och har i slutändan gjort det möjligt för alla forskare i vår enhet att samarbeta och utöka sin expertis. "
