Rachel Cannara, líder del proyecto CNST, y colaboradores de la Academia Naval de los Estados Unidos (USNA) y la Universidad de Pensilvania han demostrado que la rugosidad de la superficie a escala atómica tiene una fuerte influencia en la adhesión del diamante, carbono amorfo, y modelar nanocompuestos de diamantes.
Usando mediciones de microscopio de fuerza atómica (AFM) realizadas en la Universidad de Wisconsin-Madison, simulaciones de dinámica molecular (MD), y teoría funcional de la densidad ab initio (DFT), investigaron la física adhesiva y la mecánica de las interfaces a nanoescala entre las superficies de los diamantes.
Para superficies atómicamente lisas, se esperaría que la mayor densidad de átomos en el plano (111) condujera a un momento dipolar electrostático más alto por unidad de área y un trabajo de adhesión más alto que la orientación (001). Sin embargo, las mediciones de AFM, respaldado por simulaciones detalladas de nanocompuestos de diamantes modelo, desafiar esta suposición de una manera que solo puede explicarse por variaciones en la rugosidad de la superficie a nivel atómico, que para los monocristales puede surgir de mecanismos de crecimiento dependientes de la orientación.
A diferencia de los estudios anteriores ab initio que compararon las energías superficiales para superficies de diamante (111) (1 × 1) -H y superficies de diamante (001) (1 × 1) -H sin reconstruir, las simulaciones MD realizadas en la USNA simulan la superficie C (001) -H reconstruida (2 × 1). Las simulaciones predicen que la superficie C (001) (2x1) -H es energéticamente favorable a la superficie no reconstruida. Corroborando estas simulaciones, Las imágenes de fuerza lateral AFM de alta precisión de la superficie (001) revelaron dominios de fila de dímeros (2 × 1).
Además de utilizar la estructura de superficie adecuada (001), las simulaciones MD tienen en cuenta las interacciones de van der Waals de largo alcance, así como las energías superficiales, al calcular el trabajo de adhesión para cada interfaz. Es más, Los cálculos ab initio DFT revelan la presencia de dipolos de enlace en superficies de diamantes monocristalinos.
Usando AFM, La mecánica de contacto de la interfaz se extrajo de la dependencia de la carga del área de contacto durante los experimentos de fricción deslizante. A continuación, se calcularon los trabajos de adhesión a partir del modelo de mecánica de contacto apropiado y de las fuerzas de arranque medidas durante los experimentos de deslizamiento y las mediciones de fuerza-desplazamiento cuasiestáticas. Estos resultados tienen amplias implicaciones para el diseño de dispositivos MEMS / NEMS que incorporan diamantes o materiales similares al diamante.
