I dispositivi microelettromeccanici devono essere progettati per affrontare le forze adesive, che sono dominanti su scala micro. I ricercatori della Brown University hanno sviluppato un nuovo quadro teorico per misurare l'adesione. Credito:Kesari Lad / Brown University
Gli ingegneri della Brown University hanno ideato un nuovo metodo per misurare l'appiccicosità delle superfici in microscala. La tecnica, descritto in Atti della Royal Society A , potrebbe essere utile nella progettazione e realizzazione di sistemi microelettromeccanici (MEMS), dispositivi con parti mobili microscopiche.
Alla scala di ponti o edifici, la forza più importante che le strutture ingegnerizzate devono affrontare è la gravità. Ma alla scala dei MEMS, dispositivi come i minuscoli accelerometri utilizzati negli smartphone e nei Fitbit, l'importanza relativa della gravità diminuisce, e le forze adesive diventano più importanti.
"La cosa principale che conta alla microscala è ciò che si attacca a cosa, "ha detto Haneesh Kesari, un assistente professore alla Brown's School of Engineering e coautore della nuova ricerca. "Se hai parti del tuo dispositivo attaccate insieme, non dovrebbe essere così, non funzionerà. Quindi, per progettare dispositivi MEMS, aiuta ad avere un buon modo di misurare l'adesione nei materiali che usiamo."
Questo è ciò che Kesari e due studenti laureati Brown, Wenqiang Fang e Joyce Mok, cercato di realizzare con questa nuova ricerca. Nello specifico, volevano misurare una quantità nota come "lavoro di adesione, " che si traduce approssimativamente nella quantità di energia necessaria per separare un'area unitaria di due superfici aderite.
L'intuizione teorica chiave sviluppata nel nuovo studio è che le vibrazioni termiche di un microraggio possono essere utilizzate per calcolare il lavoro di adesione. Questa intuizione suggerisce un metodo in cui un sistema di microscopia a forza atomica (AFM) leggermente modificato può essere utilizzato per sondare le proprietà adesive.
L'AFM standard funziona un po' come un giradischi. Un cantilever con un ago appuntito si muove su un materiale bersaglio. Un laser mostrato sul cantilever misura le piccole ondulazioni che fa mentre si muove lungo i contorni del materiale. Tali ondulazioni possono quindi essere utilizzate per mappare le proprietà della superficie del materiale.
L'adattamento del metodo per misurare l'adesione richiederebbe semplicemente la rimozione della punta metallica dal cantilever, lasciando un microraggio piatto. Quel raggio può quindi essere abbassato su un materiale bersaglio, dove aderirà. Quando il cantilever è leggermente sollevato, una parte della trave si staccherà, mentre il resto rimane bloccato. La parte non bloccata del raggio vibrerà leggermente. Gli autori hanno trovato un modo per utilizzare l'estensione di quella vibrazione, che può essere misurato da un laser AFM, per calcolare la lunghezza della porzione non incollata, che a sua volta può essere utilizzato per calcolare il lavoro di adesione del materiale target.
Con lievi modifiche, un microscopio a forza atomica potrebbe essere utilizzato per misurare l'adesione nei micromateriali. Credito:Kesari Lab/Brown University Fang afferma che la tecnica potrebbe essere utile per valutare nuovi rivestimenti di materiali o trame superficiali volti ad alleviare il guasto dei dispositivi MEMS attraverso l'adesione.
Con lievi modifiche, un microscopio a forza atomica potrebbe essere utilizzato per misurare l'adesione nei micromateriali. Credito:Kesari Lab/Brown University
"Una volta che si dispone di una tecnica robusta per misurare il lavoro di adesione del materiale, allora hai un modo sistematico di valutare questi metodi per ottenere il livello di adesione necessario per una particolare applicazione, " Ha detto Fang. "Il vantaggio principale di questo metodo è che non è necessario modificare molto una configurazione AFM standard per farlo."
L'approccio è anche molto più semplice di altre tecniche, secondo Mok.
"I metodi precedenti basati sull'interferometria richiedono molto lavoro e possono richiedere l'acquisizione di molti punti dati, " ha detto. "Il nostro quadro teorico darebbe un valore per il lavoro di adesione da una singola misurazione".
Dopo aver dimostrato la tecnica numericamente, Kesari dice che il prossimo passo è costruire il sistema e iniziare a raccogliere alcuni dati sperimentali. Spera che un tale sistema aiuti a far progredire il campo dei MEMS.
"Abbiamo accelerometri e giroscopi MEMS, ma non credo che il campo abbia ancora mantenuto le sue promesse, "Kesari ha detto. "Parte del motivo è che la gente non ha compreso completamente l'adesione su piccola scala. Riteniamo che un modo più solido di misurare l'adesione sia il primo passo per ottenere tale comprensione".
