Los ingenieros de la Universidad de Brown han ideado un nuevo método para medir la adherencia de las superficies a microescala. La técnica, descrito en Actas de la Royal Society A , podría ser útil en el diseño y construcción de sistemas microelectromecánicos (MEMS), dispositivos con partes móviles microscópicas.

A escala de puentes o edificios, la fuerza más importante con la que deben lidiar las estructuras de ingeniería es la gravedad. Pero a la escala de MEMS, dispositivos como los diminutos acelerómetros utilizados en los teléfonos inteligentes y Fitbits, la importancia relativa de la gravedad disminuye. y las fuerzas adhesivas se vuelven más importantes.

"Lo principal que importa a microescala es qué se adhiere a qué, "dijo Haneesh Kesari, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown y coautor de la nueva investigación. "Si partes de tu dispositivo están pegadas que no deberían estar, no va a funcionar. Entonces, para diseñar dispositivos MEMS, ayuda tener una buena forma de medir la adherencia en los materiales que utilizamos ".

Eso es lo que Kesari y dos estudiantes graduados de Brown, Wenqiang Fang y Joyce Mok, buscaba lograr con esta nueva investigación. Específicamente, querían medir una cantidad conocida como "trabajo de adhesión, "que se traduce aproximadamente en la cantidad de energía necesaria para separar una unidad de área de dos superficies adheridas.

La idea teórica clave desarrollada en el nuevo estudio es que las vibraciones térmicas de un microhaz se pueden utilizar para calcular el trabajo de adhesión. Esa idea sugiere un método en el que se puede utilizar un sistema de microscopía de fuerza atómica (AFM) ligeramente modificado para probar las propiedades adhesivas.

El AFM estándar funciona un poco como un tocadiscos. Un voladizo con una aguja afilada se mueve a través de un material objetivo. Un láser que se muestra en el voladizo mide las pequeñas ondulaciones que hace a medida que se mueve a lo largo de los contornos del material. Estas ondulaciones se pueden utilizar para trazar las propiedades de la superficie del material.

Adaptar el método para medir la adherencia requeriría simplemente quitar la punta de metal del voladizo, dejando un microhaz plano. Ese rayo luego se puede bajar sobre un material objetivo, donde se adherirá. Cuando el voladizo se eleva ligeramente, una parte de la viga se despegará, mientras que el resto permanece estancado. La parte despegada del rayo vibrará muy levemente. Los autores encontraron una forma de utilizar el alcance de esa vibración, que se puede medir con un láser AFM, para calcular la longitud de la parte despegada, que a su vez se puede utilizar para calcular el trabajo de adhesión del material objetivo.

Con ligeras modificaciones, se podría utilizar un microscopio de fuerza atómica para medir la adherencia en micromateriales. Crédito:Kesari Lab / Brown University Fang dice que la técnica podría ser útil para evaluar nuevos revestimientos de materiales o texturas de superficies destinadas a aliviar la falla de los dispositivos MEMS a través de la adherencia.

"Una vez que tenga una técnica sólida para medir el trabajo de adhesión del material, entonces tiene una forma sistemática de evaluar estos métodos para obtener el nivel de adhesión necesario para una aplicación en particular, "Dijo Fang." La principal ventaja de este método es que no es necesario cambiar mucho una configuración de AFM estándar para hacer esto ".

El enfoque también es mucho más simple que otras técnicas, según Mok.

"Los métodos anteriores basados ​​en la interferometría son laboriosos y pueden requerir que se tomen muchos puntos de datos, ", dijo." Nuestro marco teórico daría un valor al trabajo de adhesión a partir de una sola medición ".

Habiendo demostrado la técnica numéricamente, Kesari dice que el siguiente paso es construir el sistema y comenzar a recopilar algunos datos experimentales. Tiene la esperanza de que tal sistema ayude a impulsar el campo MEMS hacia adelante.

"Tenemos acelerómetros y giroscopios MEMS, pero no creo que el campo haya cumplido su promesa todavía, "Dijo Kesari." Parte de la razón es que la gente no ha entendido completamente la adhesión a pequeña escala. Creemos que una forma más sólida de medir la adherencia es el primer paso para lograr tal comprensión ".