Quando pensamos em rugas, geralmente visualizamos as linhas gravadas em nossa pele, para alguns, uma realidade indesejável e, para outros, um orgulhoso sinal de uma vida bem vivida. Na ciência material, as rugas também podem ser desejadas ou indesejadas. Mas os fatores físicos que causam as rugas ainda não são totalmente compreendidos.

Agora, em um artigo publicado recentemente em Cartas de Física Aplicada , pesquisadores da Matemática, Mecânica, e a Unidade de Materiais (MMM) da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) mostraram como as rugas podem ser aumentadas ou reduzidas alterando a curvatura na borda de um material.

"Historicamente, cientistas e engenheiros se concentraram na prevenção de rugas, o que pode afetar adversamente o desempenho dos sensores de pressão, painéis de aeronaves, e estruturas de espaçonaves leves, incluindo booms espaciais e telescópios implantáveis, "disse o professor Eliot Fried, quem lidera a unidade MMM. "Mas pesquisas recentes também mostraram que o enrugamento pode dar aos materiais propriedades úteis. Por exemplo, pode ser usado para fazer um material super-hidrofóbico ou para fazer revestimentos que refletem a luz de maneiras únicas. "

Janelas de oportunidade de diamante

A unidade encontrou pela primeira vez o fenômeno de enrugamento enquanto trabalhava com filmes de diamante nanocristalino ultrafino, crescido em uma folha de vidro.

"Eu estava removendo a camada de vidro sob pequenas áreas do filme de diamante nanocristalino para criar janelas de diamante, "disse o Dr. Stoffel Janssens, primeira autora do estudo e pesquisadora de pós-doutorado na unidade MMM. "As janelas de diamante são extremamente difíceis de fazer, mas têm aplicações potenciais realmente interessantes, incluindo ser usado como uma estrutura transparente sobre a qual uma cultura de células pode ser cultivada e facilmente visualizada. "

Os cientistas descobriram que o enrugamento era uma parte inevitável da fabricação de janelas de diamante. O processo de crescimento do filme de diamante nanocristalino no topo da folha de vidro envolve o aquecimento e resfriamento do substrato, o que faz com que as duas camadas se expandam e contraiam em quantidades diferentes, gerando tensão nas camadas, Dr. Janssens explicou. Então, quando um buraco no substrato de vidro é feito por lasers e ácidos para formar uma janela de diamante, a tensão residual faz com que a porção agora suspensa do filme de diamante nanocristalino, que não está mais ligado à folha de vidro, para deformar e enrugar ao redor da borda.

"Percebemos que as janelas de diamante proporcionam uma grande oportunidade de compreender alguns dos fatores físicos que afetam o enrugamento, "disse o Prof. Fried." Usando janelas circulares de diamante, demonstramos experimentalmente o efeito do diâmetro e da curvatura do limite no enrugamento, e então também desenvolvemos um modelo teórico simples para explicar o que observamos. "

Fazendo uma ponte entre experiência e teoria

No estudo, os pesquisadores criaram janelas de diamante de diferentes tamanhos, e então mediu o comprimento de onda e o número de rugas que se formaram no filme suspenso ao redor da borda curva de cada janela de diamante.

Eles descobriram que, à medida que o tamanho das janelas de diamante aumentava, reduzindo a curvatura no limite entre o filme de diamante nanocristalino ligado e suspenso, a densidade das rugas diminuiu, e o comprimento de onda de cada ruga era mais longo.

Os pesquisadores também mediram o nível de tensão - a quantidade de deformação causada pelo estresse nas camadas - nas janelas de diamante.

"Medir a deformação em um material 2-D de maneira convencional é muito complicado e caro, mas fomos capazes de conceber uma técnica em que, em vez disso, determinamos o perfil da superfície da janela do diamante - a altura de cada ponto - e, em seguida, desenvolvemos algoritmos para recuperar os valores de deformação, "disse o Dr. Janssens.

A equipe então usou os resultados experimentais para desenvolver um modelo teórico, que eles acreditam que poderia ser usado para projetar dispositivos com rugas funcionais ou enrugamento reduzido.

O modelo também expandiu os experimentos, sugerindo que dispositivos contendo uma curvatura negativa veriam reduções adicionais no enrugamento.

Daqui para frente, a unidade está interessada em criar janelas de diamante em forma de anéis, em vez de círculos. Embora seja mais difícil de fabricar, essas estruturas têm dois limites entre as porções suspensas e anexadas dos filmes de diamante nanocristalino - um com curvatura positiva e outro com curvatura negativa - permitindo que os cientistas usem experimentos para explorar mais a validade de seu modelo.

"Geral, este estudo integra teoria, computação, experimentação, e análise, "disse o Prof. Fried." O ambiente interdisciplinar promovido no OIST tornou este trabalho possível e, em última análise, permitiu que todos os pesquisadores de nossa unidade colaborassem e expandissem seus conhecimentos ".