布朗大学研究人员发现物质在微小尺度上粘在一起的方式，这可能有助于设计微尺度和纳米尺度的仪器设备。在最近发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的一系列论文中，研究人员表示，表面粗糙度的微小差异可能导致两个表面相互粘附的方式发生惊人变化。
研究表明，一定程度的粗糙度会导致表面相互施加不同程度的力，这取决于它们是被推到一起还是被拉开。这项研究的第一作者、布朗大学的博士生邓伟林(Weilin Deng)说：人们研究黏附性已经有100多年的历史了，但现有的理论都没有捕捉到这一点。在这项研究工作的过程中，通过实验证明了它的存在，现在有了一个理论框架来捕捉它。
博科园-科学科普：研究人员表示这是一个微妙的见解，可能对纳米工程有重要的意义。在很小的范围内，一种叫做范德华力的粘合力占主导地位。因此，更全面地了解这些力是如何工作的至关重要。布朗工程学院(Brown’s School of Engineering)助理教授哈内什·凯萨里(Haneesh Kesari)说：在亚微米的尺度上，粘附力占主导地位，而相比之下，重力产生力基本上是没有意义的，这就是为什么像苍蝇和蚂蚁这样的小昆虫能够轻而易举地爬上墙壁和天花板的原因。因此，从实际的角度来看，如果想在这些尺度上进行工程，需要一个更完整的理论，来解释粘附力是如何使材料表面变形和成形，再加上表面粗糙度如何影响表面的粘附和滑动。
在很小的范围内，粘合力是主要的，一项可能在纳米工程中有用的发现表明，表面粗糙度的微小程度如何影响粘性。图片：Kesari Lab / Brown University
这项研究始于10年前，当时Kesari正在进行小范围的黏附性测试，这些实验是研究这个问题最基本的方法，只是简单地把两个固体放在一起，然后再把它们分开，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使用了原子力显微镜(AFM)设备。AFM有点像小型的录音机。一端挂着一根小针的悬臂被拖过表面。通过测量悬臂上下摆动的幅度，研究人员可以描绘出一个表面的物理特征。对于Kesari实验，稍微修改了一下设置。用一颗微小的玻璃珠代替了针头，用悬臂简单地升降珠子——让珠子与基质接触，然后一次又一次地把它拉下来。该衬底由PDMS制成，PDMS是一种经常用于微尺度工程系统的粘稠聚合物材料。
悬臂测量了两个表面相互作用的力。实验表明，当珠粒与PDMS靠得很近或刚刚接触时，两者之间存在一种引力。当两个固体完全接触，悬臂继续向下推时，力发生了翻转——两个固体试图相互推开。当悬臂再次抬起，两个固体分开时，引力又回来了，直到空隙足够大，引力完全消失。这些结果并不令人惊讶，它们与通常认为的粘附作用是一致的。令人惊讶的是：珠子和PDMS衬底之间的吸引力大小取决于悬臂是向上还是向下。有完全相同的分离距离，但当加载和卸载时，力是不同的，理论文献中没有任何解释。Kesari用几种稍微不同的方法来排除混杂因素，比如两个表面之间的液体吸力或者PDMS聚合物的某种撕裂。
在展示了他检测到的效果不是任何已知过程的人工制品之后，Kesari开始着手弄清楚到底发生了什么。答案是处理表面粗糙度——在相同的材料中，在更大的尺度下，或在更硬的材料中，在相同的尺度下，粗糙度是微不足道的。凯萨里和学生着手建立一个数学模型，来研究这种粗糙度是如何影响粘附性。总的来说，该理论预测，随着粗糙度增加到一定程度，界面韧性(分离两个表面所需的功)会稳步增加。在达到峰值粗糙度后，韧性迅速下降。这个综合的理论有助于验证我们在实验中看到的是真实的，现在也可以用于纳米工程。
例如对粘附的充分理解有助于设计微电子机械系统——带有微尺度和纳米尺度运动部件的设备。如果没有正确地解释这些微小的部件是如何粘连和脱落，它们很容易就会被磨成碎片。另一个应用可能是使用纳米尺度的表面图案。利用纳米图案的表面来制造太阳能电池板是有可能的，这种电池板可以抵抗灰尘的堆积，从而降低效率。通过对微纳米技术的研究，可以做很多事情，但如果能更好地理解在这些尺度下很重要的物理现象，就会有所帮助。
博科园-科学科普｜研究/来自: 布朗大学
Kevin Stacey, Brown University
参考期刊文献:《Scientific Reports》
DOI: 10.1038/s41598-018-38212-z
博科园-传递宇宙科学之美
网友评论