A maioria das superfícies naturais e artificiais são ásperas:metais e até vidros que parecem lisos a olho nu podem parecer cadeias de montanhas recortadas sob o microscópio. Atualmente não existe uma teoria uniforme sobre a origem desta rugosidade, apesar de sua presença em todas as escalas, do atômico ao tectônico. Os cientistas suspeitam que as superfícies fabricadas ásperas são formadas por deformação plástica irreversível que ocorre em muitos processos de usinagem mecânica de componentes, como moagem. O Prof. Dr. Lars Pastewka do grupo de Simulação do Departamento de Engenharia de Microssistemas da Universidade de Freiburg e sua equipe simularam essas cargas mecânicas em simulações de computador. Os pesquisadores descobriram que as superfícies feitas de diferentes materiais, que mostram mecanismos distintos de deformação plástica, sempre desenvolva rugosidade de superfície com propriedades estatísticas idênticas. Eles publicaram seus resultados em Avanços da Ciência .

Superfícies geológicas, como cordilheiras, são criadas por deformação mecânica, o que então leva a processos como fratura ou desgaste. As superfícies sintéticas normalmente passam por muitas etapas de modelagem e acabamento, como polimento, lapidação e trituração, explica Pastewka. A maioria dessas mudanças superficiais, seja natural ou sintético, levam a deformações plásticas na menor escala de comprimento atômico:"Mesmo nas pontas das rachaduras da maioria dos materiais frágeis, como o vidro, há uma zona de processo finita em que o material é plasticamente deformado, "diz o pesquisador de Freiburg." Aspereza nessas escalas menores é importante porque controla a área de contato atômico íntimo quando duas superfícies são pressionadas uma contra a outra e, portanto, a adesão, condutividade e outras propriedades funcionais de superfícies em contato. "

Em colaboração com colegas do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, a École Polytechnique Fédérale de Lausanne / Suíça, e Sandia National Laboratories / U.S., e financiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC), Pastewka e seu grupo foram capazes de simular a topografia de superfície para três sistemas de material de referência nos supercomputadores JUQUEEN e JUWELS no Jülich Supercomputing Center, que incluía ouro monocristalino, uma liga de níquel de alta entropia, ferro e titânio, e o vidro metálico cobre-zircônio, em que os átomos não formam estruturas ordenadas, mas um padrão irregular. Cada um desses três materiais é conhecido por ter diferentes propriedades micromecânicas ou moleculares. Os cientistas agora investigaram o mecanismo da deformação e as mudanças resultantes na escala atômica tanto dentro do sólido quanto em sua superfície.

Pastewka, que também é membro do Cluster of Excellence Living, Sistemas de materiais adaptativos e autônomos de energia (livMatS), e sua equipe descobriram que, apesar de suas diferentes estruturas e propriedades materiais, todos os três sistemas, quando comprimido, desenvolver superfícies ásperas com uma topografia dita autoafinada. Isso significa que os sistemas têm estruturas geométricas idênticas, independentemente da escala em que são observados:a topografia da superfície em um microscópio virtual na escala nanométrica não pode ser distinguida da estrutura das paisagens montanhosas na escala quilométrica. "Esta é uma explicação, "diz Pastewka, "por que uma estrutura quase universal de rugosidade da superfície é observada em experimentos."