Las arrugas en la ventana del diamante se deben a la tensión en las capas de diamante y vidrio. La ventana de diamantes en la imagen a, que es más pequeña que la ventana de diamante en la imagen b, tiene una mayor densidad de arrugas. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
Cuando pensamos en arrugas, generalmente imaginamos las líneas grabadas en nuestra piel, para algunos una realidad no deseada y para otros un signo orgulloso de una vida bien vivida. En ciencia de materiales, Las arrugas también pueden ser deseadas o no deseadas. Pero los factores físicos que causan la aparición de arrugas aún no se comprenden completamente.
Ahora, en un artículo publicado recientemente en Letras de física aplicada , investigadores de las Matemáticas, Mecánica, y la Unidad de Materiales (MMM) del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa de la Universidad de Graduados (OIST) han demostrado cómo se pueden aumentar o reducir las arrugas alterando la curvatura en el borde de un material.
"Históricamente, los científicos e ingenieros se han centrado en prevenir las arrugas, que pueden afectar negativamente al rendimiento de los sensores de presión, paneles de aviones, y estructuras ligeras de naves espaciales, incluidos telescopios y auges espaciales desplegables, "dijo el profesor Eliot Fried, quien lidera la unidad MMM. "Pero investigaciones recientes también han demostrado que las arrugas pueden otorgar propiedades útiles a los materiales. Por ejemplo, se puede utilizar para hacer un material súper hidrófobo o para hacer revestimientos que reflejen la luz de formas únicas ".
Ventanas de oportunidad de diamante
La unidad encontró por primera vez el fenómeno de las arrugas mientras trabajaba con películas de diamante nanocristalino ultradelgadas, cultivado en una hoja de vidrio.
"Estaba quitando la capa de vidrio debajo de pequeñas áreas de la película de diamante nanocristalino para crear ventanas de diamante, "dijo el Dr. Stoffel Janssens, primer autor del estudio e investigador postdoctoral en la unidad MMM. "Las ventanas de diamante son extremadamente difíciles de hacer, pero tienen aplicaciones potenciales realmente interesantes, incluido el uso como una estructura transparente sobre la que se puede hacer crecer un cultivo celular y visualizarlo fácilmente ".
Los científicos utilizaron un microscopio láser para determinar la altura a través de la superficie de la ventana de diamante con el fin de calcular el nivel de deformación. Por esta ventana de diamantes, la película de diamante nanocristalino suspendida se dobla hacia abajo debajo de la superficie del vidrio. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
Los científicos descubrieron que las arrugas eran una parte inevitable de la fabricación de ventanas de diamantes. El proceso de crecimiento de la película de diamante nanocristalino en la parte superior de la hoja de vidrio implica calentar y enfriar el sustrato, lo que hace que las dos capas se expandan y contraigan en diferentes cantidades, generando estrés en las capas, El Dr. Janssens explicó. Luego, cuando se hace un agujero en el sustrato de vidrio con láseres y ácidos para formar una ventana de diamante, la tensión residual causa la porción ahora suspendida de la película de diamante nanocristalino, que ya no está pegada a la hoja de vidrio, para deformar y arrugar alrededor del borde.
"Nos dimos cuenta de que las ventanas de diamantes brindan una gran oportunidad para comprender algunos de los factores físicos que afectan las arrugas, ", dijo el profesor Fried." Usando ventanas circulares de diamantes, demostramos experimentalmente el efecto del diámetro y la curvatura del límite sobre las arrugas, y luego también desarrollamos un modelo teórico simple para explicar lo que observamos ".
Puente entre el experimento y la teoría
En el estudio, los investigadores crearon ventanas de diamantes de diferentes tamaños, y luego midió la longitud de onda y el número de arrugas que se formaron en la película suspendida alrededor del borde curvo de cada ventana de diamante.
Descubrieron que a medida que aumentaba el tamaño de las ventanas de diamantes, Reducir la curvatura en el límite entre la película de diamante nanocristalino adherida y suspendida. la densidad de las arrugas disminuyó, y la longitud de onda de cada arruga era más larga.
Los investigadores también midieron el nivel de tensión, la cantidad de deformación causada por la tensión en las capas, a través de las ventanas de diamante.
Los científicos esperan fabricar ventanas de diamantes en forma de anillo, que tienen límites con curvatura tanto positiva como negativa. Crédito:
"Medir la deformación en un material 2-D de forma convencional es muy complicado y caro, pero pudimos idear una técnica en la que, en cambio, determinamos el perfil de la superficie de la ventana del diamante (qué tan alto es cada punto) y luego desarrollamos algoritmos para recuperar los valores de deformación, "dijo el Dr. Janssens.
Luego, el equipo utilizó los resultados experimentales para desarrollar un modelo teórico, que creen que podrían usarse para diseñar dispositivos con arrugas funcionales o arrugas reducidas.
El modelo también amplió los experimentos, lo que sugiere que los dispositivos que contienen una curvatura negativa verían reducciones adicionales en las arrugas.
Avanzando, la unidad está interesada en crear ventanas de diamantes en forma de anillos, en lugar de círculos. Aunque es más difícil de fabricar, estas estructuras tienen dos límites entre las partes suspendidas y adheridas de las películas de diamantes nanocristalinos, una con curvatura positiva y otra con curvatura negativa, lo que permite a los científicos utilizar experimentos para explorar más a fondo la validez de su modelo.
"En general, este estudio integra la teoría, cálculo, experimentación, y análisis, ", dijo el profesor Fried." El entorno interdisciplinario fomentado en OIST hizo posible este trabajo y, en última instancia, ha permitido a todos los investigadores de nuestra unidad colaborar y ampliar su experiencia ".
