Människor kan vanligtvis se om något är grovt eller slätt genom att dra fingrarna längs dess yta. Men hur är det med saker som är för små eller för stora för att köra ett finger över? Jorden ser slät ut från rymden, men någon som står vid foten av Himalaya skulle inte hålla med. Forskare mäter ytor i olika skalor för att ta hänsyn till olika storlekar, men dessa vågar stämmer inte alltid överens.

Ny forskning från University of Pittsburghs Swanson School of Engineering mätte en ultrananokristallin diamantbeläggning, uppskattad för sina hårda men släta egenskaper, och visade att det är mycket grövre än man tidigare trott. Deras resultat kan hjälpa forskare att bättre förutsäga hur yttopografi påverkar ytegenskaper för material som används i olika miljöer från mikrokirurgi och motorer till satellithus eller rymdfarkoster.

"Ett viktigt mått på 'grovheten' hos en yta är dess genomsnittliga lutning, det är, hur brant det är, säger Tevis Jacobs, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Pitt. "Vi fann att ytan på den här nano-diamantfilmen ser väldigt olika ut beroende på vilken skala du använder."

Dr. Jacobs och hans teams forskning publicerades i American Chemical Society (ACS) tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt . De tog mer än 100 mätningar av diamantfilmen, kombinera konventionella tekniker med en ny metod baserad på transmissionselektronmikroskopi. Resultaten spänner över storleksskalor från en centimeter ner till atomskalan.

Dr. Jacobs förklarar, "Nanodiamantytan är tillräckligt slät för att du kan se din reflektion i den. Men genom att kombinera alla våra mått, inklusive ner till de minsta skalorna, vi visade att detta "släta" material har en genomsnittlig lutning på 50 grader. Detta är brantare än de österrikiska alperna mätt på skalan av ett mänskligt fotsteg (39 grader)."

"Genom att använda elektronmikroskopi, vi kunde få den minsta änden av mätområdet; vi kan inte ens definiera topografi under atomskalan, " säger doktor Jacobs. "Då, genom att kombinera alla skalor tillsammans, vi kunde bli av med problemet med att grovheten avviker mellan skalorna. Vi kan beräkna "sanna" skalinvarianta råhetsparametrar."

"Vi har vetat i hundra år att ytjämnhet styr ytegenskaper. Den felande länken är att vi inte har kunnat kvantifiera dess effekt. Till exempel, i biomedicinska tillämpningar, olika undersökningar har kommit fram till motsatta slutsatser om huruvida grovhet främjar eller försämrar cellvidhäftning. Vi tror att denna nya förståelse av grovhet över skalor kommer att öppna dörren för att äntligen lösa detta urgamla pussel inom ytanalys."

Det slutliga målet är att ha prediktiva modeller för hur grovhet bestämmer ytegenskaper som vidhäftning, friktion eller ledning av värme eller elektricitet. Dr. Jacobs genombrott är det första steget i en uppförsbacke, och mycket brant, kamp för att skapa och validera dessa modeller.

"Vi gör för närvarande egenskapersmätningar av detta nanodiamantmaterial och många andra ytor för att tillämpa mekanikmodeller för att länka topografi och egenskaper, " säger han. "Genom att hitta de skalor eller kombinationen av skalor som betyder mest för en given tillämpning, vi kan fastställa vilka ytbehandlingstekniker som ger bäst resultat, minskar behovet av en kostsam och tidskrävande trial-and-error-metod."