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研究详述了纳米尺度的粘性情况

2019-02-27 16:11:18来源:

布朗大学的研究人员已经发现了物质在微小尺度上粘合在一起的方式,这可能有助于工程微米和纳米级器件。

在一系列论文,最近一项发表在科学报告中,研究人员证明,在表面的粗糙度极小的差异会导致在路上两个表面相互粘附令人惊讶的变化。研究表明,某些程度的粗糙度会导致表面相互施加不同的力,这取决于它们是被推到一起还是被拉开。

“人们已经研究了100多年的粘合力,但现有的理论都没有抓住这一点,”博士说,Weilin Deng博士说。布朗的学生和该研究的主要作者。“在这项工作的过程中,我们通过实验证明这确实存在,现在我们有了一个理论框架来捕捉它。”

研究人员说,这是一种微妙的见解,可能对纳米级工程具有重要意义。在非常小的尺度上,称为范德瓦尔斯力的一系列粘合力占主导地位。因此,更全面地了解这些力量的运作方式至关重要。

“在亚微米尺度下,粘合力成为主导,而相比,由于重力引起的力基本上没有意义,”布朗工程学院助理教授Haneesh Kesari说道。“这就是为什么像苍蝇和蚂蚁这样的小昆虫可以毫无问题地扩大墙壁和天花板的原因。因此从实际角度来看,如果我们想要在这些尺度上进行工程设计,我们需要一个更完整的理论来说明粘合力如何变形和塑造材料表面,并加上表面粗糙度会影响表面粘附和相互滑动的方式。“

这一系列的研究始于十年前,当时Kesari正在进行实验以测试小尺度的粘附性。“这些实验是研究这个问题最基本的方法,”Kesari说。“我们只需将两个固体放在一起,再将它们拉开,同时测量两个表面之间的力。”

为了在微观尺度上做到这一点,Kesari使用原子力显微镜(AFM)设备。AFM有点像小型唱机。从一端悬挂有小针的悬臂被拖过表面。通过测量悬臂向上和向下摆动的程度,研究人员可以绘制出表面的物理特征。对于Kesari的实验,他略微修改了设置。他用一个小玻璃珠替换针头,然后用悬臂简单地升高和降低珠子 - 使其与基材接触,然后一遍又一遍地将其拉回。基材由PDMS制成,PDMS是一种通常用于微尺度工程系统的软质聚合物材料。悬臂测量两个表面相互施加的力。

实验表明,当珠子和PDMS靠近或刚刚接触时,两者之间存在吸引力。当两者完全接触并且悬臂继续向下推时,力量翻转 - 两个固体试图将彼此推开。当悬臂再次升起并且两个固体分开时,吸引力返回,直到间隙足够大以使力完全消失。

这些结果并不令人惊讶。它们与通常被认为有效的粘合方式一致。令人惊讶的部分是:珠子和PDMS基底之间的吸引力的大小取决于悬臂是向上还是向下。

“这对我来说非常令人惊讶,”Kesari说。“你有完全相同的分离距离,但是当你装载时,与卸载相比,力是不同的。理论文献中没有任何东西可以解释它。”

Kesari以几种略微不同的方式进行了实验,以排除混淆因素,例如两个表面之间的液体吸力或PDMS聚合物的某种撕裂。已经证明他发现的效果不是任何已知过程的神器,Kesari开始弄清楚发生了什么。

答案结果是处理表面粗糙度 - 在较大尺度的相同材料中或在相同尺度下的较硬材料中,微小的粗糙度将是微不足道的。Kesari和他的学生着手建立一个数学模型,说明这种粗糙度如何影响粘合力。

总的来说,该理论预测界面韧性 - 分离两个表面所需的工作 - 随着粗糙度增加到某一点而稳定增加。在该峰值粗糙点之后,韧性迅速下降。

“这个全面的理论有助于验证我们在实验中看到的是真实的,”Kesari说。“它现在也可以用于纳米级工程。”

例如,他说,充分了解粘合力有助于设计微机电系统 - 具有微米和纳米级运动部件的设备。如果没有恰当地说明这些微小零件可能如何粘住和不粘,它们可能很容易磨成碎片。另一种应用可以是使用表面的纳米级图案化。有可能使用纳米图案化的表面制作太阳能电池板,以抵抗灰尘的积聚,从而剥夺它们的效率。

“我们可以通过在微米和纳米尺度上进行工程设计来做很多工作,”Kesari说。“但如果我们更好地理解在这些尺度上重要的物理学,它将会有所帮助。