La maggior parte delle superfici naturali e artificiali sono ruvide:i metalli e persino gli occhiali che sembrano lisci a occhio nudo possono sembrare catene montuose frastagliate al microscopio. Attualmente non esiste una teoria uniforme sull'origine di questa rugosità nonostante la sua presenza su tutte le scale, dall'atomico al tettonico. Gli scienziati sospettano che le superfici fabbricate ruvide siano formate da deformazioni plastiche irreversibili che si verificano in molti processi di lavorazione meccanica dei componenti, come la fresatura. Il prof. Dr. Lars Pastewka del gruppo di simulazione presso il Dipartimento di ingegneria dei microsistemi dell'Università di Friburgo e il suo team hanno simulato tali carichi meccanici in simulazioni al computer. I ricercatori hanno scoperto che le superfici realizzate con materiali diversi, che mostrano distinti meccanismi di deformazione plastica, sviluppano sempre rugosità superficiale con proprietà statistiche identiche. Hanno pubblicato i loro risultati in Progressi scientifici .

Le superfici geologiche come le catene montuose sono create dalla deformazione meccanica, che poi porta a processi come frattura o usura. Le superfici sintetiche in genere passano attraverso molte fasi di modellatura e finitura, come la lucidatura, lappatura e rettifica, spiega Pastewka. La maggior parte di questi cambiamenti di superficie, sia naturale che sintetico, portare a deformazioni plastiche sulla più piccola scala di lunghezza atomica:"Anche alle punte delle crepe della maggior parte dei materiali fragili come il vetro, esiste una zona di processo finita in cui il materiale è deformato plasticamente, " dice il ricercatore di Friburgo. "La rugosità su queste scale più piccole è importante perché controlla l'area di intimo contatto atomico quando due superfici vengono premute insieme e quindi l'adesione, conducibilità e altre proprietà funzionali delle superfici a contatto."

In collaborazione con i colleghi del Karlsruhe Institute of Technology, l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne/Svizzera, e i Sandia National Laboratories/U.S.A., e finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), Pastewka e il suo gruppo sono stati in grado di simulare la topografia superficiale per tre sistemi di materiali di riferimento presso i supercomputer JUQUEEN e JUWELS presso il Jülich Supercomputing Centre, che comprendeva oro monocristallino, una lega di nichel ad alta entropia, ferro e titanio, e il vetro metallico rame-zirconio, in cui gli atomi non formano strutture ordinate ma uno schema irregolare. Ciascuno di questi tre materiali è noto per avere diverse proprietà micromeccaniche o molecolari. Gli scienziati hanno ora studiato il meccanismo della deformazione ei conseguenti cambiamenti nella scala atomica sia all'interno del solido che sulla sua superficie.

Pastewka, che è anche membro del Cluster of Excellence Living, Sistemi di materiali adattivi e autonomi dal punto di vista energetico (livMatS), e il suo team hanno scoperto che, nonostante le loro diverse strutture e proprietà dei materiali, tutti e tre i sistemi, quando compresso, sviluppare superfici ruvide con una cosiddetta topografia autoaffinata. Ciò significa che i sistemi hanno strutture geometriche identiche indipendentemente dalla scala su cui vengono osservati:la topografia superficiale in un microscopio virtuale su scala nanometrica non può essere distinta dalla struttura dei paesaggi montani su scala chilometrica. "Questa è una spiegazione, "dice Pastewka, "sul motivo per cui negli esperimenti si osserva una struttura quasi universale di rugosità superficiale".