Le rughe nella finestra del diamante sono causate dallo stress negli strati di diamante e vetro. La finestra del diamante nell'immagine a, che è più piccola della finestra del diamante nell'immagine b, ha una maggiore densità di rughe. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
Quando pensiamo alle rughe, di solito immaginiamo le linee incise nella nostra pelle, per alcuni una realtà sgradita e per altri un segno orgoglioso di una vita ben vissuta. Nella scienza dei materiali, le rughe possono anche essere desiderate o indesiderate. Ma i fattori fisici che causano la comparsa delle rughe non sono ancora completamente compresi.
Ora, in un articolo recentemente pubblicato su Lettere di fisica applicata , ricercatori della matematica, Meccanica, and Materials (MMM) dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno mostrato come le rughe possono essere aumentate o ridotte alterando la curvatura del bordo di un materiale.
"Storicamente, scienziati e ingegneri si sono concentrati sulla prevenzione delle rughe, che possono influire negativamente sulle prestazioni dei sensori di pressione, pannelli per aerei, e strutture di veicoli spaziali leggeri, compresi bracci spaziali e telescopi dispiegabili, " ha detto il professor Eliot Fried, che guida l'unità MMM. "Ma ricerche recenti hanno anche dimostrato che l'increspatura può conferire ai materiali proprietà utili. Ad esempio, può essere utilizzato per rendere un materiale super idrofobo o per realizzare rivestimenti che riflettono la luce in modi unici."
Finestre di diamante di opportunità
L'unità ha incontrato per la prima volta il fenomeno dell'increspatura mentre lavorava con film di diamante nanocristallino ultrasottili, cresciuto su una lastra di vetro.
"Stavo rimuovendo lo strato di vetro sotto piccole aree del film di diamante nanocristallino per creare finestre di diamante, " ha detto il dottor Stoffel Janssens, primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato nell'unità MMM. "Le finestre diamantate sono estremamente difficili da realizzare ma hanno potenziali applicazioni davvero entusiasmanti, compreso l'uso come struttura trasparente su cui una coltura cellulare può essere coltivata e facilmente visualizzata".
Gli scienziati hanno utilizzato un microscopio laser per determinare l'altezza sulla superficie della finestra di diamante per calcolare il livello di deformazione. Per questa finestra di diamante, il film di diamante nanocristallino sospeso si piega verso il basso sotto la superficie del vetro. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
Gli scienziati hanno scoperto che le rughe erano una parte inevitabile della fabbricazione di finestre diamantate. Il processo di crescita del film di diamante nanocristallino sopra la lastra di vetro comporta il riscaldamento e il raffreddamento del substrato, che fa sì che i due strati si espandano e si contraggano di quantità diverse, generando stress negli strati, Il dottor Janssens ha spiegato. Quindi, quando un foro nel substrato di vetro viene praticato da laser e acidi per formare una finestra diamantata, lo stress residuo provoca la porzione ormai sospesa del film di diamante nanocristallino, che non è più legato alla lastra di vetro, deformarsi e raggrinzirsi intorno al bordo.
"Ci siamo resi conto che le finestre diamantate offrivano una grande opportunità per comprendere alcuni dei fattori fisici che influenzano le rughe, " ha detto il prof. Fried. "Utilizzando finestre romboidali circolari, abbiamo dimostrato sperimentalmente l'effetto del diametro e della curvatura del contorno sulle rughe, e poi abbiamo anche sviluppato un semplice modello teorico per spiegare ciò che abbiamo osservato."
Un ponte tra esperimento e teoria
Nello studio, i ricercatori hanno creato finestre diamantate di diverse dimensioni, e quindi misurato la lunghezza d'onda e il numero di rughe che si sono formate nella pellicola sospesa attorno al bordo curvo di ciascuna finestra di diamante.
Hanno scoperto che all'aumentare delle dimensioni delle finestre a diamante, riducendo la curvatura al confine tra il film di diamante nanocristallino legato e sospeso, la densità delle rughe è diminuita, e la lunghezza d'onda di ogni ruga era più lunga.
I ricercatori hanno anche misurato il livello di deformazione, la quantità di deformazione causata dallo stress negli strati, attraverso le finestre di diamante.
Gli scienziati sperano di fabbricare finestre diamantate a forma di anello, che hanno confini con curvatura sia positiva che negativa. Credito:
"Misurare la deformazione su un materiale 2-D in modo convenzionale è molto complicato e costoso, ma siamo stati in grado di ideare una tecnica in cui abbiamo invece determinato il profilo della superficie della finestra del diamante - quanto è alto ogni punto - e quindi sviluppato algoritmi per recuperare i valori di deformazione, " ha detto il dottor Janssens.
Il team ha quindi utilizzato i risultati sperimentali per sviluppare un modello teorico, che ritengono possa essere utilizzato per progettare dispositivi con rughe funzionali o rughe ridotte.
Il modello ha anche ampliato gli esperimenti, suggerendo che i dispositivi contenenti una curvatura negativa vedrebbero ulteriori riduzioni delle rughe.
Andando avanti, l'unità è interessata a creare finestre diamantate a forma di anelli, piuttosto che cerchi. Sebbene sia più difficile da fabbricare, queste strutture hanno due confini tra le porzioni sospese e attaccate dei film di diamante nanocristallino, uno con curvatura positiva e uno con curvatura negativa, consentendo agli scienziati di utilizzare esperimenti per esplorare ulteriormente la validità del loro modello.
"Globale, questo studio integra teoria, calcolo, sperimentazione, e analisi, " ha affermato il Prof. Fried. "L'ambiente interdisciplinare promosso presso l'OIST ha reso possibile questo lavoro e ha infine permesso a tutti i ricercatori della nostra unità di collaborare e ampliare le proprie competenze".
