Le persone di solito possono dire se qualcosa è ruvido o liscio facendo scorrere le dita lungo la sua superficie. Ma che dire delle cose troppo piccole o troppo grandi per passarci sopra un dito? La terra sembra liscia dallo spazio, ma qualcuno ai piedi dell'Himalaya non sarebbe d'accordo. Gli scienziati misurano le superfici a scale diverse per tenere conto delle diverse dimensioni, ma queste scale non sempre concordano.

Una nuova ricerca della Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh ha misurato un rivestimento di diamante ultrananocristallino, apprezzato per le sue proprietà dure ma lisce, e ha mostrato che è molto più ruvido di quanto si credesse in precedenza. Le loro scoperte potrebbero aiutare i ricercatori a prevedere meglio in che modo la topografia della superficie influisce sulle proprietà della superficie dei materiali utilizzati in ambienti diversi, dalla microchirurgia ai motori, agli alloggiamenti dei satelliti o ai veicoli spaziali.

"Una misura importante della 'rugosità' di una superficie è la sua pendenza media, questo è, quanto è ripido, "dice Tevis Jacobs, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali a Pitt. "Abbiamo scoperto che la superficie di questo film di nano-diamanti sembra molto diversa a seconda della scala che stai usando".

Il Dr. Jacobs e la ricerca del suo team sono apparsi sulla rivista American Chemical Society (ACS) Materiali e interfacce applicati ACS . Hanno preso più di 100 misurazioni del film diamantato, combinando tecniche convenzionali con un nuovo approccio basato sulla microscopia elettronica a trasmissione. I risultati si estendevano su scale di dimensioni da un centimetro fino alla scala atomica.

Il dottor Jacobs spiega, "La superficie del nanodiamante è abbastanza liscia da poter vedere il tuo riflesso in essa. Tuttavia, combinando tutte le nostre misurazioni, anche fino alle scale più piccole, abbiamo mostrato che questo materiale "liscio" ha una pendenza media di 50 gradi. Questo è più ripido delle Alpi austriache se misurato sulla scala di un passo umano (39 gradi)."

"Utilizzando la microscopia elettronica, siamo stati in grado di ottenere l'estremità più piccola dell'intervallo di misurazione; non possiamo nemmeno definire la topografia al di sotto della scala atomica, " dice il dottor Jacobs. "Allora, combinando tutte le scale insieme, siamo stati in grado di eliminare il problema della deviazione della rugosità tra le scale. Siamo in grado di calcolare parametri di rugosità invarianti di scala "reali"".

"Sappiamo da cento anni che la rugosità della superficie controlla le proprietà della superficie. L'anello mancante è che non siamo stati in grado di quantificarne l'effetto. Ad esempio, nelle applicazioni biomediche, diverse indagini sono arrivate a conclusioni opposte sul fatto che la rugosità promuova o diminuisca l'adesione cellulare. Riteniamo che questa nuova comprensione della rugosità su tutte le scale aprirà le porte per risolvere finalmente questo enigma secolare nell'analisi delle superfici".

L'obiettivo finale è disporre di modelli predittivi di come la rugosità determina gli attributi della superficie come l'adesione, attrito o conduzione di calore o elettricità. La svolta del dottor Jacobs è il primo passo in una salita, e molto ripida, battaglia per creare e convalidare questi modelli.

"Stiamo attualmente effettuando misurazioni delle proprietà di questo materiale nanodiamante e di molte altre superfici per applicare modelli meccanici per collegare la topografia e le proprietà, " dice. "Trovando le scale o la combinazione di scale che contano di più per una data applicazione, possiamo stabilire quali tecniche di finitura superficiale otterranno i migliori risultati, riducendo la necessità di un approccio per tentativi ed errori costoso e dispendioso in termini di tempo."