布朗大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)物質(zhì)在微小尺度上粘在一起的方式，這可能有助于設(shè)計微尺度和納米尺度的儀器設(shè)備。在最近發(fā)表在《科學(xué)報告》(Scientific Reports)上的一系列論文中，研究人員表示，表面粗糙度的微小差異可能導(dǎo)致兩個表面相互粘附的方式發(fā)生驚人變化。

研究表明，一定程度的粗糙度會導(dǎo)致表面相互施加不同程度的力，這取決于它們是被推到一起還是被拉開。這項研究的第一作者、布朗大學(xué)的博士生鄧偉林(Weilin Deng)說：人們研究黏附性已經(jīng)有100多年的歷史了，但現(xiàn)有的理論都沒有捕捉到這一點。在這項研究工作的過程中，通過實驗證明了它的存在，現(xiàn)在有了一個理論框架來捕捉它。

博科園-科學(xué)科普：研究人員表示這是一個微妙的見解，可能對納米工程有重要的意義。在很小的范圍內(nèi)，一種叫做范德華力的粘合力占主導(dǎo)地位。因此，更全面地了解這些力是如何工作的至關(guān)重要。布朗工程學(xué)院(Brown’s School of Engineering)助理教授哈內(nèi)什·凱薩里(Haneesh Kesari)說：在亞微米的尺度上，粘附力占主導(dǎo)地位，而相比之下，重力產(chǎn)生力基本上是沒有意義的，這就是為什么像蒼蠅和螞蟻這樣的小昆蟲能夠輕而易舉地爬上墻壁和天花板的原因。因此，從實際的角度來看，如果想在這些尺度上進行工程，需要一個更完整的理論，來解釋粘附力是如何使材料表面變形和成形，再加上表面粗糙度如何影響表面的粘附和滑動。

這項研究始于10年前，當時Kesari正在進行小范圍的黏附性測試，這些實驗是研究這個問題最基本的方法，只是簡單地把兩個固體放在一起，然后再把它們分開，同時測量兩個表面之間的力。為了在微觀尺度上做到這一點，Kesari使用了原子力顯微鏡(AFM)設(shè)備。AFM有點像小型的錄音機。一端掛著一根小針的懸臂被拖過表面。通過測量懸臂上下擺動的幅度，研究人員可以描繪出一個表面的物理特征。對于Kesari實驗，稍微修改了一下設(shè)置。用一顆微小的玻璃珠代替了針頭，用懸臂簡單地升降珠子——讓珠子與基質(zhì)接觸，然后一次又一次地把它拉下來。該襯底由PDMS制成，PDMS是一種經(jīng)常用于微尺度工程系統(tǒng)的粘稠聚合物材料。

懸臂測量了兩個表面相互作用的力。實驗表明，當珠粒與PDMS靠得很近或剛剛接觸時，兩者之間存在一種引力。當兩個固體完全接觸，懸臂繼續(xù)向下推時，力發(fā)生了翻轉(zhuǎn)——兩個固體試圖相互推開。當懸臂再次抬起，兩個固體分開時，引力又回來了，直到空隙足夠大，引力完全消失。這些結(jié)果并不令人驚訝，它們與通常認為的粘附作用是一致的。令人驚訝的是：珠子和PDMS襯底之間的吸引力大小取決于懸臂是向上還是向下。有完全相同的分離距離，但當加載和卸載時，力是不同的，理論文獻中沒有任何解釋。Kesari用幾種稍微不同的方法來排除混雜因素，比如兩個表面之間的液體吸力或者PDMS聚合物的某種撕裂。

在展示了他檢測到的效果不是任何已知過程的人工制品之后，Kesari開始著手弄清楚到底發(fā)生了什么。答案是處理表面粗糙度——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。凱薩里和學(xué)生著手建立一個數(shù)學(xué)模型，來研究這種粗糙度是如何影響粘附性?？偟膩碚f，該理論預(yù)測，隨著粗糙度增加到一定程度，界面韌性(分離兩個表面所需的功)會穩(wěn)步增加。在達到峰值粗糙度后，韌性迅速下降。這個綜合的理論有助于驗證我們在實驗中看到的是真實的，現(xiàn)在也可以用于納米工程。

例如對粘附的充分理解有助于設(shè)計微電子機械系統(tǒng)——帶有微尺度和納米尺度運動部件的設(shè)備。如果沒有正確地解釋這些微小的部件是如何粘連和脫落，它們很容易就會被磨成碎片。另一個應(yīng)用可能是使用納米尺度的表面圖案。利用納米圖案的表面來制造太陽能電池板是有可能的，這種電池板可以抵抗灰塵的堆積，從而降低效率。通過對微納米技術(shù)的研究，可以做很多事情，但如果能更好地理解在這些尺度下很重要的物理現(xiàn)象，就會有所幫助。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 布朗大學(xué)

Kevin Stacey,?Brown University

參考期刊文獻:《Scientific Reports》

DOI: 10.1038/s41598-018-38212-z

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