Des chercheurs de l'Université Brown ont fait une découverte sur la façon dont les choses s'assemblent à de minuscules échelles qui pourraient être utiles dans la conception de dispositifs à l'échelle micro et nanométrique.

Dans une série d'articles, dont le dernier est publié dans Rapports scientifiques , les chercheurs montrent que de minuscules différences dans la rugosité d'une surface peuvent provoquer des changements surprenants dans la façon dont deux surfaces adhèrent l'une à l'autre. Certains niveaux de rugosité, les études montrent, peut amener les surfaces à exercer des forces différentes les unes sur les autres selon qu'elles sont poussées ensemble ou séparées.

"Les gens travaillent sur l'adhérence depuis plus de 100 ans, mais aucune des théories existantes n'a saisi cela, " a déclaré Weilin Deng, un doctorat étudiant à Brown et l'auteur principal de l'étude. « Au cours de ce travail, nous avons montré avec des expériences que cela existe vraiment et maintenant nous avons un cadre théorique qui le capture. »

C'est une idée subtile qui pourrait avoir des implications importantes pour l'ingénierie à l'échelle nanométrique, disent les chercheurs. A très petite échelle, une famille de forces adhésives appelées forces de van der Waals domine. Il est donc essentiel de mieux comprendre le fonctionnement de ces forces.

"A l'échelle submicronique, les forces d'adhérence deviennent dominantes, tandis que la force due à la gravité est essentiellement dénuée de sens en comparaison, " dit Haneesh Kesari, un professeur adjoint à la Brown's School of Engineering qui a supervisé la recherche. "C'est pourquoi les petits insectes comme les mouches et les fourmis peuvent escalader les murs et les plafonds sans problème. Donc d'un point de vue pratique, si nous voulons concevoir à ces échelles, nous avons besoin d'une théorie plus complète de la façon dont les forces adhésives déforment et façonnent les surfaces des matériaux, et couplé à la rugosité de la surface affectent la façon dont les surfaces adhèrent, et glissent les uns sur les autres."

Cette ligne de recherche a commencé il y a une décennie lorsque Kesari menait des expériences pour tester l'adhérence à petite échelle. "Ces expériences étaient le moyen le plus élémentaire d'étudier le problème, " a déclaré Kesari. "Nous rassemblons simplement deux solides et les séparons à nouveau tout en mesurant les forces entre les deux surfaces."

Pour ce faire à micro-échelle, Kesari a utilisé un appareil de microscope à force atomique (AFM). Un AFM est un peu comme un petit tourne-disque. Un porte-à-faux avec une petite aiguille suspendue à une extrémité est traîné sur une surface. En mesurant combien le cantilever bouge de haut en bas, les chercheurs peuvent cartographier les caractéristiques physiques d'une surface. Pour les expériences de Kesari, il a légèrement modifié la configuration. Il a remplacé l'aiguille par une minuscule perle de verre et a utilisé le porte-à-faux pour simplement soulever et abaisser la perle, la mettant en contact avec un substrat, puis la tirant encore et encore. Le substrat était en PDMS, un matériau polymère spongieux souvent utilisé dans les systèmes d'ingénierie à micro-échelle. Le porte-à-faux mesurait les forces que les deux surfaces exerçaient l'une sur l'autre.

Les expériences ont montré que lorsque la perle et le PDMS se rapprochaient ou se touchaient à peine, il y avait une force d'attraction entre les deux. Lorsque les deux étaient complètement en contact et que le porte-à-faux a continué à pousser vers le bas, la force a basculé - les deux solides essayaient de se repousser. Lorsque le porte-à-faux a été soulevé à nouveau et que les deux solides se sont éloignés, la force d'attraction est revenue jusqu'à ce que l'écart soit suffisamment grand pour que la force disparaisse entièrement.

Ces résultats n'étaient pas surprenants. Ils étaient conformes à la façon dont l'adhérence est généralement considérée comme fonctionnant. La partie surprenante était la suivante :la quantité de force d'attraction entre la perle et le substrat PDMS était différente selon que le cantilever était en train de monter ou de descendre.

"C'était très surprenant pour moi, " dit Kesari. " Vous avez exactement la même distance de séparation, mais les forces sont différentes lors du chargement par rapport au déchargement. Il n'y avait rien dans la littérature théorique pour l'expliquer."

Kesari a réalisé l'expérience de plusieurs manières légèrement différentes pour écarter les facteurs de confusion, comme une aspiration à base de liquide entre les deux surfaces ou une sorte de déchirure des polymères PDMS. Ayant montré que l'effet qu'il a détecté n'était pas un artefact d'un processus connu, Kesari entreprit de comprendre ce qui se passait.

La réponse s'est avérée être liée à la rugosité de surface - des quantités infimes de rugosité qui seraient insignifiantes dans les mêmes matériaux à plus grande échelle ou dans des matériaux plus rigides aux mêmes échelles. Kesari et ses étudiants ont entrepris de créer un modèle mathématique de la façon dont cette rugosité pourrait affecter l'adhérence.

Globalement, la théorie prédit que la ténacité de l'interface - le travail requis pour séparer deux surfaces - augmente régulièrement à mesure que la rugosité augmente jusqu'à un certain point. Après ce point de rugosité de pointe, la ténacité diminue rapidement.

"Cette théorie complète permet de vérifier que ce que nous voyions dans nos expériences était réel, " a déclaré Kesari. "C'est aussi maintenant quelque chose qui peut être utilisé dans l'ingénierie à l'échelle nanométrique."

Par exemple, il dit, une compréhension complète de l'adhérence est utile pour concevoir des systèmes micro-électromécaniques, des dispositifs avec des pièces mobiles à l'échelle micro et nanométrique. Sans tenir compte correctement de la façon dont ces minuscules pièces peuvent coller et se décoller, ils peuvent facilement se réduire en morceaux. Une autre application pourrait être l'utilisation de motifs de surfaces à l'échelle nanométrique. Il pourrait être possible d'utiliser des surfaces à nano-motifs pour fabriquer des panneaux solaires qui résistent à l'accumulation de poussière, ce qui les prive de leur efficacité.

« Il y a beaucoup de choses que nous pouvons faire par l'ingénierie à l'échelle micro et nanométrique, " a déclaré Kesari. " Mais cela nous aidera si nous avons une meilleure compréhension de la physique qui est importante à ces échelles.