La chef de projet CNST Rachel Cannara et des collaborateurs de l'Académie navale des États-Unis (USNA) et de l'Université de Pennsylvanie ont montré que la rugosité de surface à l'échelle atomique a une forte influence sur l'adhérence du diamant, carbone amorphe, et modèles de nanocomposites de diamant.
À l'aide de mesures au microscope à force atomique (AFM) effectuées à l'Université du Wisconsin-Madison, simulations de dynamique moléculaire (DM), et théorie de la fonctionnelle de la densité ab initio (DFT), ils ont étudié la physique adhésive et la mécanique des interfaces à l'échelle nanométrique entre les surfaces de diamant.
Pour les surfaces atomiquement lisses, on s'attendrait à ce que la plus grande densité d'atomes dans le plan (111) conduise à un moment dipolaire électrostatique plus élevé par unité de surface et à un travail d'adhésion plus élevé que l'orientation (001). Cependant, les mesures AFM, soutenu par des simulations détaillées de nanocomposites de diamant modèles, remettre en cause cette hypothèse d'une manière qui ne peut être expliquée que par des variations de rugosité de surface au niveau atomique, qui pour les monocristaux peuvent provenir de mécanismes de croissance dépendants de l'orientation.
Contrairement aux études ab initio précédentes qui comparaient les énergies de surface pour les surfaces de diamant (111)(1×1)-H et les surfaces de diamant (001)(1×1)-H non reconstruites, les simulations MD effectuées à l'USNA simulent la surface C(001)-H reconstituée (2×1). Les simulations prédisent que la surface C(001)(2x1)-H est énergétiquement favorable à la surface non reconstruite. Corroborant ces simulations, des images de force latérale AFM de haute précision de la surface (001) ont révélé (2 × 1) domaines de rangée de dimères.
En plus d'utiliser la structure de surface appropriée (001), les simulations MD tiennent compte des interactions de van der Waals à longue portée, ainsi que les énergies de surface, lors du calcul du travail d'adhésion pour chaque interface. De plus, les calculs ab initio DFT révèlent la présence de dipôles de liaison sur les surfaces de diamant monocristallin.
En utilisant l'AFM, la mécanique de contact de l'interface a été extraite de la dépendance à la charge de la zone de contact lors d'expériences de frottement de glissement. Les travaux d'adhérence ont ensuite été calculés à partir du modèle de mécanique de contact approprié et à partir des forces d'arrachement mesurées lors des expériences de glissement et des mesures force-déplacement quasistatiques. Ces résultats ont de larges implications pour la conception de dispositifs MEMS/NEMS qui incorporent du diamant ou des matériaux similaires au diamant.
