В масштабе мостов или зданий самая важная сила, с которой проектируемые конструкции должны иметь дело, — это сила тяжести. Но в масштабе MEMS — таких устройств, как крошечные акселерометры, используемые в смартфонах и Fitbit, — относительная важность силы тяжести уменьшается, а силы сцепления становятся более важными.«Главное, что имеет значение на микромасштабе, — это то, что к чему прилипает», — сказал Ханиш Кесари, доцент инженерной школы Брауна и соавтор нового исследования. «Если у вас есть части вашего устройства, которые склеиваются вместе, чего не должно быть, это не сработает. Поэтому для разработки устройств MEMS полезно иметь хороший способ измерения адгезии в материалах, которые мы используем».
Это то, чего Кесари и двое аспирантов Брауна, Вэньцян Фанг и Джойс Мок, стремились достичь с помощью этого нового исследования. В частности, они хотели измерить величину, известную как «работа адгезии», которая примерно переводится в количество энергии, необходимое для разделения единицы площади двух склеиваемых поверхностей.Ключевой теоретический вывод, сделанный в новом исследовании, заключается в том, что тепловые колебания микропучка можно использовать для расчета работы адгезии. Это понимание предлагает метод, в котором можно использовать слегка модифицированную систему атомно-силовой микроскопии (АСМ) для исследования адгезионных свойств.
Стандартный AFM работает как проигрыватель грампластинок. Кантилевер с острой иглой перемещается по целевому материалу. Лазер, показанный на кантилевере, измеряет крошечные неровности, которые он создает при движении по контурам материала.
Затем эти волнистости можно использовать для отображения свойств поверхности материала.
Для адаптации метода измерения адгезии потребуется просто снять металлический наконечник с кантилевера, оставив плоский микролучок. Затем этот луч можно опустить на целевой материал, где он будет прилипать. Когда консоль немного приподнимается, часть балки отклеивается, а остальная часть остается застрявшей. Незакрепленная часть балки будет слегка вибрировать.
Авторы нашли способ использовать степень этой вибрации, которую можно измерить с помощью АСМ-лазера, для расчета длины незакрепленной части, которая, в свою очередь, может использоваться для расчета работы адгезии целевого материала.С небольшими изменениями можно использовать атомно-силовой микроскоп для измерения адгезии в микроматериалах.
Предоставлено: Лаборатория Кесари / Университет Брауна Фанг говорит, что этот метод может быть полезен при оценке новых покрытий материалов или текстур поверхности, направленных на уменьшение выхода из строя устройств МЭМС из-за прилипания.«Если у вас есть надежный метод измерения работы адгезии материала, у вас есть систематический способ оценки этих методов для определения уровня адгезии, необходимого для конкретного применения», — сказал Фанг. «Основным преимуществом этого метода является то, что вам не нужно сильно менять стандартную настройку АСМ, чтобы сделать это».
По словам Мока, этот подход намного проще, чем другие методы.«Предыдущие методы, основанные на интерферометрии, трудозатратны и могут потребовать сбора множества точек данных», — сказала она. «Наша теоретическая основа дает оценку работы адгезии на основе одного измерения».Продемонстрировав эту технику численно, Кесари говорит, что следующим шагом будет построение системы и начало сбора некоторых экспериментальных данных. Он надеется, что такая система поможет продвинуть вперед область MEMS.
«У нас есть МЭМС-акселерометры и гироскопы, но я не думаю, что эта область еще полностью оправдала свои ожидания», — сказал Кесари. «Частично причина этого в том, что люди не до конца поняли адгезию в малых масштабах. Мы думаем, что более надежный способ измерения адгезии — это первый шаг к достижению такого понимания».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом (грант 1562656) и Президентской стипендией Брауна Джойс Мок.