Quand on pense aux rides, nous imaginons généralement les lignes gravées dans notre peau, pour certains une réalité malvenue et pour d'autres un fier signe d'une vie bien vécue. En science des matériaux, les rides peuvent également être désirées ou non. Mais les facteurs physiques qui provoquent l'apparition de rides ne sont pas encore entièrement compris.

Maintenant, dans un article récemment publié dans Lettres de physique appliquée , chercheurs en Mathématiques, Mécanique, et des matériaux (MMM) de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont montré comment les rides peuvent être augmentées ou réduites en modifiant la courbure au bord d'un matériau.

« Historiquement, les scientifiques et les ingénieurs se sont concentrés sur la prévention des rides, ce qui peut nuire aux performances des capteurs de pression, panneaux d'avions, et des structures d'engins spatiaux légers, y compris des flèches spatiales déployables et des télescopes, " a déclaré le professeur Eliot Fried, qui dirige l'unité MMM. "Mais des recherches récentes ont également montré que le froissement peut donner aux matériaux des propriétés utiles. Par exemple, il peut être utilisé pour fabriquer un matériau super hydrophobe ou pour fabriquer des revêtements qui reflètent la lumière de manière unique."

Fenêtres d'opportunité diamant

L'unité a d'abord rencontré le phénomène de froissement en travaillant avec des films de diamant nanocristallin ultra-minces, cultivé sur une feuille de verre.

"J'enlevais la couche de verre sous de petites zones du film de diamant nanocristallin pour créer des fenêtres en diamant, " a déclaré le Dr Stoffel Janssens, premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral dans l'unité MMM. « Les fenêtres en diamant sont extrêmement difficiles à fabriquer, mais elles ont des applications potentielles vraiment intéressantes, y compris être utilisé comme une structure transparente sur laquelle une culture cellulaire peut être cultivée et facilement visualisée."

Les scientifiques ont découvert que le froissement était une partie inévitable de la fabrication de fenêtres en diamant. Le processus de croissance du film de diamant nanocristallin sur le dessus de la feuille de verre implique le chauffage et le refroidissement du substrat, ce qui provoque l'expansion et la contraction des deux couches de quantités différentes, générer des contraintes dans les couches, expliqua le Dr Janssens. Puis, lorsqu'un trou dans le substrat de verre est réalisé par des lasers et des acides pour former une fenêtre en diamant, la contrainte résiduelle provoque la partie maintenant suspendue du film de diamant nanocristallin, qui n'est plus collée à la feuille de verre, se déformer et se froisser sur le pourtour.

« Nous avons réalisé que les fenêtres en diamant offraient une excellente occasion de comprendre certains des facteurs physiques qui affectent le froissement, " a déclaré le professeur Fried. " En utilisant des fenêtres en diamant circulaires, nous avons démontré expérimentalement l'effet du diamètre et de la courbure limite sur le plissement, puis nous avons également développé un modèle théorique simple pour expliquer ce que nous avons observé."

Faire le pont entre l'expérience et la théorie

Dans l'étude, les chercheurs ont créé des fenêtres en diamant de différentes tailles, puis mesuré la longueur d'onde et le nombre de rides qui se sont formées dans le film suspendu autour du bord incurvé de chaque fenêtre en diamant.

Ils ont découvert qu'à mesure que la taille des fenêtres en diamant augmentait, réduire la courbure à la limite entre le film de diamant nanocristallin lié et suspendu, la densité des rides a diminué, et la longueur d'onde de chaque ride était plus longue.

Les chercheurs ont également mesuré le niveau de contrainte - la quantité de déformation causée par la contrainte dans les couches - à travers les fenêtres en diamant.

« Mesurer la déformation sur un matériau 2D de manière conventionnelle est très compliqué et coûteux, mais nous avons pu concevoir une technique dans laquelle nous avons plutôt déterminé le profil de surface de la fenêtre en diamant - la hauteur de chaque point - puis développé des algorithmes pour récupérer les valeurs de déformation, " a déclaré le Dr Janssens.

L'équipe a ensuite utilisé les résultats expérimentaux pour développer un modèle théorique, qui, selon eux, pourraient être utilisés pour concevoir des appareils présentant des rides fonctionnelles ou des rides réduites.

Le modèle a également élargi les expériences, suggérant que les appareils contenant une courbure négative verraient une réduction supplémentaire des rides.

Aller de l'avant, l'unité s'intéresse à la création de fenêtres en diamant en forme d'anneaux, plutôt que des cercles. Bien que plus difficile à fabriquer, ces structures ont deux limites entre les parties suspendues et attachées des films de diamant nanocristallin - une avec une courbure positive et une avec une courbure négative - permettant aux scientifiques d'utiliser des expériences pour explorer davantage la validité de leur modèle.

"Globalement, cette étude intègre la théorie, calcul, expérimentation, et analyse, " a déclaré le professeur Fried. " L'environnement interdisciplinaire favorisé à l'OIST a rendu ce travail possible et a finalement permis à tous les chercheurs de notre unité de collaborer et d'élargir leur expertise. "