CNSTs projektledare Rachel Cannara och medarbetare från United States Naval Academy (USNA) och University of Pennsylvania har visat att ytråhet i atomär skala har en stark inverkan på vidhäftning för diamant, amorft kol, och modell diamant nanokompositer.
Med hjälp av atomkraftmikroskopmätningar (AFM) utförda vid University of Wisconsin-Madison, molekylär dynamik (MD) simuleringar, och ab initio densitet funktionell teori (DFT), de undersökte vidhäftningsfysiken och mekaniken för gränssnitt i nanoskala mellan diamantytor.
För atomärt släta ytor, den högre densiteten av atomer i (111) planet förväntas leda till ett högre elektrostatiskt dipolmoment per ytenhet och ett högre vidhäftningsarbete än (001) orientering. Dock, AFM-mätningarna, stöds av detaljerade simuleringar av modell diamant nanokompositer, utmana detta antagande på ett sätt som bara kan förklaras av variationer i ytjämnhet på atomnivå, som för enkristaller kan uppstå från orienteringsberoende tillväxtmekanismer.
Till skillnad från tidigare ab initio-studier som jämförde ytenergier för diamant (111)(1×1)-H-ytor och orekonstruerade diamant-(001)(1×1)-H-ytor, MD-simuleringarna utförda vid USNA simulerar den (2×1)-rekonstruerade C(001)-H-ytan. Simuleringarna förutspår att C(001)(2x1)-H-ytan är energetiskt gynnsam för den orekonstruerade ytan. Bekräftar dessa simuleringar, högprecision AFM lateral kraftbilder av (001) ytan avslöjade (2×1) dimer-rad domäner.
Förutom att använda lämplig (001) ytstruktur, MD-simuleringarna står för långväga van der Waals-interaktioner, såväl som ytenergier, vid beräkning av vidhäftningsarbetet för varje gränssnitt. Dessutom, ab initio DFT-beräkningarna avslöjar närvaron av bindningsdipoler på enkristalldiamantytor.
Använder AFM, kontaktmekaniken i gränssnittet extraherades från kontaktområdets belastningsberoende under glidfriktionsförsök. Vidhäftningsarbeten beräknades sedan från den lämpliga kontaktmekanikmodellen och från avdragningskrafter som mättes under glidexperimenten och kvasistatiska kraft-förskjutningsmätningar. Dessa resultat har breda konsekvenser för utformningen av MEMS/NEMS-enheter som innehåller diamant eller diamantliknande material.
