Les gens peuvent généralement dire si quelque chose est rugueux ou lisse en passant leurs doigts le long de sa surface. Mais qu'en est-il des choses trop petites ou trop grosses pour passer un doigt dessus ? La terre semble lisse de l'espace, mais quelqu'un se tenant au pied de l'Himalaya ne serait pas d'accord. Les scientifiques mesurent des surfaces à différentes échelles pour tenir compte de différentes tailles, mais ces échelles ne concordent pas toujours.

Une nouvelle recherche de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh a mesuré un revêtement de diamant ultrananocristallin, apprécié pour ses propriétés dures mais lisses, et a montré qu'il est beaucoup plus rugueux qu'on ne le croyait auparavant. Leurs résultats pourraient aider les chercheurs à mieux prédire comment la topographie de surface affecte les propriétés de surface des matériaux utilisés dans divers environnements, de la microchirurgie et des moteurs aux boîtiers de satellites ou aux engins spatiaux.

"Une mesure importante de la 'rugosité' d'une surface est sa pente moyenne, C'est, comme c'est raide, " dit Tevis Jacobs, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux à Pitt. "Nous avons constaté que la surface de ce film de nano-diamant est très différente selon l'échelle que vous utilisez."

Les recherches du Dr Jacobs et de son équipe ont été publiées dans la revue American Chemical Society (ACS) Matériaux et interfaces appliqués ACS . Ils ont pris plus de 100 mesures du film de diamant, combinant des techniques conventionnelles avec une nouvelle approche basée sur la microscopie électronique à transmission. Les résultats s'étendent sur des échelles de taille allant d'un centimètre à l'échelle atomique.

Le Dr Jacobs explique, "La surface du nanodiamant est suffisamment lisse pour que vous puissiez y voir votre reflet. Pourtant, en combinant toutes nos mesures, jusqu'aux plus petites échelles, nous avons montré que ce matériau "lisse" a une pente moyenne de 50 degrés. C'est plus raide que les Alpes autrichiennes lorsqu'il est mesuré à l'échelle d'un pas humain (39 degrés)."

"En utilisant la microscopie électronique, nous avons pu obtenir la plus petite extrémité de la plage de mesure; nous ne pouvons même pas définir la topographie en dessous de l'échelle atomique, " dit le Dr Jacobs. " Alors, en combinant toutes les échelles entre elles, nous avons pu nous débarrasser du problème d'écart de rugosité entre les échelles. Nous pouvons calculer de « vrais » paramètres de rugosité invariants à l'échelle. »

« Nous savons depuis cent ans que la rugosité de la surface contrôle les propriétés de la surface. Le chaînon manquant est que nous n'avons pas été en mesure de quantifier son effet. Par exemple, dans les applications biomédicales, différentes enquêtes sont arrivées à des conclusions opposées quant à savoir si la rugosité favorise ou dégrade l'adhésion cellulaire. Nous pensons que cette nouvelle compréhension de la rugosité à travers les échelles ouvrira la porte à la résolution finale de ce puzzle séculaire dans l'analyse de surface."

L'objectif ultime est d'avoir des modèles prédictifs de la façon dont la rugosité détermine les attributs de surface tels que l'adhérence, friction ou la conduction de la chaleur ou de l'électricité. La percée du Dr Jacobs est la première étape d'une montée, et très raide, bataille pour créer et valider ces modèles.

"Nous effectuons actuellement des mesures de propriétés de ce matériau nanodiamant et de nombreuses autres surfaces pour appliquer des modèles mécaniques afin de lier topographie et propriétés, " dit-il. " En trouvant les échelles ou la combinaison d'échelles les plus importantes pour une application donnée, nous pouvons déterminer quelles techniques de finition de surface permettront d'obtenir les meilleurs résultats, réduisant le besoin d'une approche d'essais et d'erreurs coûteuse et longue."