Los investigadores de la Universidad de Brown han hecho un descubrimiento sobre la forma en que las cosas se unen a pequeñas escalas que podrían ser útiles en la ingeniería de dispositivos a micro y nanoescala.

En una serie de artículos, el último de los cuales se publica en Informes científicos , los investigadores muestran que diferencias minúsculas en la rugosidad de una superficie pueden causar cambios sorprendentes en la forma en que dos superficies se adhieren entre sí. Ciertos niveles de rugosidad, los estudios muestran, puede hacer que las superficies ejerzan diferentes cantidades de fuerza entre sí dependiendo de si se empujan juntas o se separan.

"La gente ha trabajado en la adhesión durante más de 100 años, pero ninguna de las teorías existentes capturó esto, "dijo Weilin Deng, un doctorado estudiante de Brown y autor principal del estudio. "En el transcurso de este trabajo, demostramos con experimentos que esto realmente existe y ahora tenemos un marco teórico que lo captura ".

Es una idea sutil que podría tener importantes implicaciones para la ingeniería a nanoescala, dicen los investigadores. A escalas muy pequeñas, domina una familia de fuerzas adhesivas llamadas fuerzas de van der Waals. Por lo tanto, es fundamental tener una comprensión más completa de cómo funcionan esas fuerzas.

"En las escalas submicrónicas, las fuerzas adhesivas se vuelven dominantes, mientras que la fuerza debida a la gravedad es esencialmente insignificante en comparación, "dijo Haneesh Kesari, un profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown que supervisó la investigación. "Es por eso que los insectos pequeños como las moscas y las hormigas pueden escalar paredes y techos sin problemas. Así que desde una perspectiva práctica, si queremos diseñar a esas escalas, necesitamos una teoría más completa de cómo las fuerzas adhesivas deforman y dan forma a las superficies de los materiales, y junto con la rugosidad de la superficie afectan cómo se adhieren las superficies, y se deslizan unos sobre otros ".

Esta línea de investigación comenzó hace una década cuando Kesari estaba llevando a cabo experimentos para probar la adhesión a pequeña escala. "Estos experimentos fueron la forma más elemental de estudiar el problema, "Dijo Kesari." Simplemente juntamos dos sólidos y los separamos de nuevo mientras medimos las fuerzas entre las dos superficies ".

Para hacer esto a microescala, Kesari usó un aparato de microscopio de fuerza atómica (AFM). Un AFM es un poco como un pequeño tocadiscos. Un voladizo con una pequeña aguja que cuelga de un extremo se arrastra a través de una superficie. Midiendo cuánto se mueve el voladizo hacia arriba y hacia abajo, los investigadores pueden trazar un mapa de las características físicas de una superficie. Para los experimentos de Kesari, modificó ligeramente la configuración. Reemplazó la aguja con una pequeña cuenta de vidrio y usó el voladizo para simplemente subir y bajar la cuenta, poniéndola en contacto con un sustrato y luego retirándola una y otra vez. El sustrato estaba hecho de PDMS, un material polimérico blando que se utiliza a menudo en sistemas de ingeniería a microescala. El voladizo midió las fuerzas que las dos superficies ejercían entre sí.

Los experimentos mostraron que a medida que la cuenta y el PDMS se acercaban o apenas se tocaban, había una fuerza atractiva entre los dos. Cuando los dos estuvieron completamente en contacto y el voladizo continuó empujando hacia abajo, la fuerza cambió:los dos sólidos intentaban alejarse el uno al otro. Cuando el voladizo se levantó de nuevo y los dos sólidos se separaron, la fuerza de atracción regresó hasta que la brecha fue lo suficientemente grande como para que la fuerza desapareciera por completo.

Esos resultados no fueron sorprendentes. Estaban en consonancia con la forma en que se suele pensar que funciona la adhesión. La parte sorprendente fue la siguiente:la cantidad de fuerza de atracción entre el cordón y el sustrato de PDMS fue diferente dependiendo de si el voladizo estaba subiendo o bajando.

"Eso fue muy sorprendente para mí, "Dijo Kesari." Tienes exactamente la misma distancia de separación, pero las fuerzas son diferentes cuando está cargando en comparación con cuando está descargando. No había nada en la literatura teórica que lo explicara ".

Kesari realizó el experimento de varias formas ligeramente diferentes para descartar factores de confusión, como succión a base de líquido entre las dos superficies o algún tipo de desgarro de los polímeros PDMS. Habiendo demostrado que el efecto que detectó no era un artefacto de ningún proceso conocido, Kesari se propuso averiguar qué estaba pasando.

La respuesta resultó tener que ver con la rugosidad de la superficie:cantidades minúsculas de rugosidad que serían insignificantes en los mismos materiales a escalas mayores o en materiales más rígidos a las mismas escalas. Kesari y sus estudiantes se propusieron crear un modelo matemático de cómo esta aspereza podría afectar la adhesión.

En general, la teoría predice que la dureza de la interfaz, el trabajo requerido para separar dos superficies, aumenta de manera constante a medida que aumenta la rugosidad hasta cierto punto. Después de ese punto máximo de rugosidad, la tenacidad cae rápidamente.

"Esta teoría integral ayuda a verificar que lo que estábamos viendo en nuestros experimentos era real, ", Dijo Kesari." Ahora también es algo que se puede utilizar en ingeniería a nanoescala ".

Por ejemplo, él dice, Un conocimiento completo de la adhesión es útil para diseñar sistemas microelectromecánicos:dispositivos con partes móviles a micro y nanoescala. Sin tener en cuenta adecuadamente cómo esas partes diminutas se pueden pegar y despegar, pueden triturarse fácilmente en pedazos. Otra aplicación podría ser el modelado de superficies a nanoescala. Podría ser posible usar superficies con nano patrones para hacer paneles solares que resistan la acumulación de polvo, que les roba su eficacia.

"Hay muchas cosas que podemos hacer mediante la ingeniería a micro y nanoescala, "Dijo Kesari." Pero ayudará si tenemos una mejor comprensión de la física que es importante en esas escalas.