Les ingénieurs de l'Université Brown ont mis au point une nouvelle méthode de mesure de l'adhésivité des surfaces à micro-échelle. La technique, décrit dans Actes de la Royal Society A , pourrait être utile dans la conception et la construction de systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS), appareils avec des pièces mobiles microscopiques.

A l'échelle des ponts ou des bâtiments, la force la plus importante à laquelle les structures d'ingénierie doivent faire face est la gravité. Mais à l'échelle des MEMS - des appareils comme les minuscules accéléromètres utilisés dans les smartphones et les Fitbits - l'importance relative de la gravité diminue, et les forces d'adhérence deviennent plus importantes.

« La principale chose qui compte à l'échelle microscopique, c'est ce qui colle à quoi, " dit Haneesh Kesari, professeur adjoint à la Brown's School of Engineering et co-auteur de la nouvelle recherche. "Si vous avez des parties de votre appareil qui collent ensemble qui ne devraient pas l'être, ça ne va pas marcher. Ainsi, pour concevoir des dispositifs MEMS, cela aide d'avoir un bon moyen de mesurer l'adhérence des matériaux que nous utilisons."

C'est ce que Kesari et deux étudiants diplômés de Brown, Wenqiang Fang et Joyce Mok, cherchait à accomplir avec cette nouvelle recherche. Spécifiquement, ils voulaient mesurer une grandeur dite "travail d'adhésion, " qui se traduit approximativement par la quantité d'énergie nécessaire pour séparer une unité de surface de deux surfaces collées.

L'idée théorique clé développée dans la nouvelle étude est que les vibrations thermiques d'un microfaisceau peuvent être utilisées pour calculer le travail d'adhérence. Cette idée suggère une méthode dans laquelle un système de microscopie à force atomique (AFM) légèrement modifié peut être utilisé pour sonder les propriétés adhésives.

L'AFM standard fonctionne un peu comme un tourne-disque. Un porte-à-faux avec une aiguille pointue se déplace sur un matériau cible. Un laser montré sur le cantilever mesure les minuscules ondulations qu'il fait lorsqu'il se déplace le long des contours du matériau. Ces ondulations peuvent ensuite être utilisées pour cartographier les propriétés de surface du matériau.

Adapter la méthode pour mesurer l'adhérence nécessiterait simplement de retirer la pointe métallique du porte-à-faux, laissant un microfaisceau plat. Ce faisceau peut ensuite être abaissé sur un matériau cible, où il adhérera. Lorsque le porte-à-faux est légèrement relevé, une partie de la poutre va se décoller, tandis que le reste reste bloqué. La partie décollée de la poutre vibrera très légèrement. Les auteurs ont trouvé un moyen d'utiliser l'étendue de cette vibration, mesurable par un laser AFM, pour calculer la longueur de la portion décollée, qui peut à son tour être utilisé pour calculer le travail d'adhésion du matériau cible.

Avec de légères modifications, un microscope à force atomique pourrait être utilisé pour mesurer l'adhérence dans les micro-matériaux. Crédit :Kesari Lab/Brown University Fang dit que la technique pourrait être utile pour évaluer de nouveaux revêtements de matériaux ou textures de surface visant à atténuer la défaillance des dispositifs MEMS par collage.

"Une fois que vous avez une technique robuste pour mesurer le travail d'adhérence du matériau, alors vous disposez d'un moyen systématique d'évaluer ces méthodes pour obtenir le niveau d'adhérence nécessaire pour une application particulière, " a déclaré Fang. " Le principal avantage de cette méthode est que vous n'avez pas besoin de modifier beaucoup une configuration AFM standard pour le faire. "

L'approche est aussi beaucoup plus simple que d'autres techniques, selon Mok.

"Les méthodes précédentes basées sur l'interférométrie sont laborieuses et peuvent nécessiter de nombreux points de données à prendre, " a-t-elle dit. " Notre cadre théorique donnerait une valeur pour le travail d'adhésion à partir d'une seule mesure. "

Après avoir démontré numériquement la technique, Kesari dit que la prochaine étape consiste à construire le système et à commencer à collecter des données expérimentales. Il espère qu'un tel système aidera à faire avancer le domaine des MEMS.

"Nous avons des accéléromètres et des gyroscopes MEMS, mais je ne pense pas que le domaine ait encore tenu ses promesses, " a déclaré Kesari. " Une partie de la raison à cela est que les gens n'ont pas complètement compris l'adhésion à petite échelle. Nous pensons qu'une manière plus robuste de mesurer l'adhérence est la première étape vers l'acquisition d'une telle compréhension. »