Forskare från Brown University har gjort en upptäckt om hur saker och ting hänger ihop i små skalor som kan vara till hjälp vid konstruktion av enheter i mikro- och nanoskala.

I en serie tidningar, varav den senaste publiceras i Vetenskapliga rapporter , forskarna visar att små skillnader i en ytas grovhet kan orsaka överraskande förändringar i hur två ytor fäster vid varandra. Vissa nivåer av grovhet, studierna visar, kan få ytorna att utöva olika mycket kraft på varandra beroende på om de trycks ihop eller dras isär.

"Människor har arbetat med vidhäftning i över 100 år, men ingen av de existerande teorierna fångade detta, sa Weilin Deng, en Ph.D. student vid Brown och huvudförfattaren till studien. "Under loppet av detta arbete, vi visade med experiment att detta verkligen existerar och nu har vi ett teoretiskt ramverk som fångar det."

Det är en subtil insikt som kan ha viktiga konsekvenser för ingenjörskonst i nanoskala, säger forskarna. I mycket liten skala, en familj av adhesiva krafter som kallas van der Waals krafter dominerar. Så att ha en bättre förståelse för hur dessa krafter fungerar är avgörande.

"På sub-mikronskalan, vidhäftningskrafterna blir dominerande, medan kraften på grund av gravitationen är väsentligen meningslös i jämförelse, " sa Haneesh Kesari, en biträdande professor vid Browns School of Engineering som övervakade forskningen. "Det är därför små insekter som flugor och myror kan skala väggar och tak utan problem. Så ur ett praktiskt perspektiv, om vi vill konstruera i den skalan, vi behöver en mer komplett teori om hur adhesiva krafter deformerar och formar materialytor, och i kombination med ytjämnhet påverkar hur ytorna fastnar på, och glida över varandra."

Denna forskningslinje startade för ett decennium sedan när Kesari utförde experiment för att testa vidhäftning i små skalor. "Dessa experiment var det mest elementära sättet att studera problemet, " sa Kesari. "Vi sammanför helt enkelt två fasta ämnen och drar isär dem igen samtidigt som vi mäter krafterna mellan de två ytorna."

För att göra detta i mikroskala, Kesari använde en atomkraftmikroskop (AFM) apparat. En AFM är lite som en liten skivspelare. En cantilever med en liten nål hängande från ena änden dras över en yta. Genom att mäta hur mycket konsolen vippar upp och ner, forskare kan kartlägga de fysiska egenskaperna hos en yta. För Kesaris experiment, han ändrade inställningen något. Han ersatte nålen med en liten glaspärla och använde konsolen för att helt enkelt höja och sänka pärlan - för att komma i kontakt med ett underlag och sedan dra tillbaka den om och om igen. Substratet gjordes av PDMS, ett squishy polymermaterial som ofta används i mikroskala konstruerade system. Fribäraren mätte krafterna som de två ytorna utövade på varandra.

Experimenten visade att när pärlan och PDMS kom nära varandra eller bara knappt rörde, det fanns en attraktionskraft mellan de två. När de två var helt i kontakt och konsolen fortsatte att trycka ner, kraften vände – de två fasta ämnena försökte trycka undan varandra. När konsolen höjdes igen och de två fasta ämnena flyttade isär, attraktionskraften återvände tills gapet var tillräckligt stort för att kraften skulle försvinna helt.

Dessa resultat var inte förvånande. De var i linje med hur vidhäftning brukar tänkas fungera. Den överraskande delen var denna:Mängden attraktionskraft mellan pärlan och PDMS-substratet var olika beroende på om konsolen var på väg upp eller på väg ner.

"Det var väldigt överraskande för mig, " sa Kesari. "Du har exakt samma separationsavstånd, men krafterna är olika när du lastar jämfört med lossning. Det fanns ingenting i den teoretiska litteraturen som förklarade det."

Kesari utförde experimentet på flera lite olika sätt för att utesluta störande faktorer, som vätskebaserat sug mellan de två ytorna eller någon form av rivning av PDMS-polymererna. Efter att ha visat att effekten han upptäckte inte var en artefakt av någon känd process, Kesari gav sig ut för att ta reda på vad som hände.

Svaret visade sig handla om ytjämnhet - minimala mängder ojämnheter som skulle vara obetydliga i samma material i större skalor eller i styvare material i samma skalor. Kesari och hans elever började skapa en matematisk modell för hur denna grovhet kan påverka vidhäftningen.

Övergripande, teorin förutspår att gränssnittssegheten – det arbete som krävs för att separera två ytor – ökar stadigt när grovheten ökar till en viss punkt. Efter den högsta grovhetspunkten, segheten avtar snabbt.

"Denna omfattande teori hjälper till att verifiera att det vi såg i våra experiment var verkligt, " Sa Kesari. "Det är också nu något som kan användas i nanoskala teknik."

Till exempel, han säger, en fullständig förståelse för vidhäftning är till hjälp vid design av mikroelektromekaniska system – enheter med rörliga delar i mikro- och nanoskala. Utan att korrekt redogöra för hur dessa små delar kan fastna och lossna, de kan lätt mala sig själva i bitar. En annan tillämpning kan vara att använda nanoskala mönstring av ytor. Det kan vara möjligt att använda nano-mönstrade ytor för att göra solpaneler som motstår en ansamling av damm, vilket berövar dem deras effektivitet.

"Det finns mycket vi kan göra genom att konstruera på mikro- och nanoskala, ", sa Kesari. "Men det kommer att hjälpa om vi har en bättre förståelse för fysiken som är viktig på dessa skalor.