p Pesquisadores da Brown University descobriram como as coisas se unem em escalas minúsculas que podem ser úteis na engenharia de dispositivos em micro e nanoescala. p Em uma série de artigos, o último dos quais foi publicado em Relatórios Científicos , os pesquisadores mostram que diferenças minúsculas na rugosidade de uma superfície podem causar mudanças surpreendentes na maneira como duas superfícies aderem uma à outra. Certos níveis de rugosidade, os estudos mostram, pode fazer com que as superfícies exerçam diferentes quantidades de força umas sobre as outras, dependendo se estão sendo empurradas juntas ou separadas.

p “As pessoas trabalham com adesão há mais de 100 anos, mas nenhuma das teorias existentes capturou isso, "disse Weilin Deng, um Ph.D. estudante da Brown e principal autor do estudo. “Ao longo deste trabalho, mostramos com experimentos que isso realmente existe e agora temos um arcabouço teórico que o capta. "

p É um insight sutil que pode ter implicações importantes para a engenharia em nanoescala, dizem os pesquisadores. Em escalas muito pequenas, uma família de forças adesivas chamadas forças de van der Waals domina. Portanto, ter uma compreensão mais completa de como essas forças funcionam é fundamental.

p "Nas escalas submícron, as forças adesivas tornam-se dominantes, enquanto a força da gravidade é essencialmente sem sentido em comparação, "disse Haneesh Kesari, um professor assistente na Escola de Engenharia de Brown que supervisionou a pesquisa. "É por isso que pequenos insetos como moscas e formigas podem escalar paredes e tetos sem nenhum problema. Então, de uma perspectiva prática, se quisermos fazer engenharia nessas escalas, precisamos de uma teoria mais completa de como as forças adesivas deformam e moldam as superfícies do material, e juntamente com a rugosidade da superfície afetam como as superfícies aderem, e deslizar um sobre o outro. "

p Essa linha de pesquisa começou há uma década, quando Kesari estava realizando experimentos para testar a adesão em pequenas escalas. "Esses experimentos foram a maneira mais elementar de estudar o problema, "Kesari disse." Nós simplesmente juntamos dois sólidos e os separamos novamente enquanto medimos as forças entre as duas superfícies. "

p Para fazer isso em escala micro, Kesari usou um aparelho de microscópio de força atômica (AFM). Um AFM é um pouco como um toca-discos minúsculo. Um cantilever com uma pequena agulha pendurada em uma das extremidades é arrastado por uma superfície. Ao medir o quanto o cantilever balança para cima e para baixo, os pesquisadores podem mapear as características físicas de uma superfície. Para os experimentos de Kesari, ele modificou ligeiramente a configuração. Ele substituiu a agulha por uma pequena conta de vidro e usou o cantilever para simplesmente levantar e abaixar a conta - colocando-a em contato com um substrato e, em seguida, puxando-a de volta repetidamente. O substrato era feito de PDMS, um material polimérico mole frequentemente usado em sistemas de engenharia em microescala. O cantilever mede as forças que as duas superfícies exercem uma sobre a outra.

p Os experimentos mostraram que, à medida que a pérola e o PDMS se aproximavam ou mal se tocavam, havia uma força atrativa entre os dois. Quando os dois estavam totalmente em contato e o cantilever continuou a empurrar para baixo, a força mudou - os dois sólidos estavam tentando se afastar. Quando o cantilever foi levantado novamente e os dois sólidos se separaram, a força atrativa retornou até que a lacuna fosse grande o suficiente para que a força desaparecesse completamente.

p Esses resultados não foram surpreendentes. Eles estavam de acordo com a forma como geralmente se pensa que a adesão funciona. A parte surpreendente foi esta:a quantidade de força de atração entre o cordão e o substrato PDMS era diferente dependendo se o cantilever estava subindo ou descendo.

p "Isso foi muito surpreendente para mim, "Kesari disse." Você tem exatamente a mesma distância de separação, mas as forças são diferentes quando você está carregando e descarregando. Não havia nada na literatura teórica para explicá-lo. "

p Kesari realizou o experimento de várias maneiras ligeiramente diferentes para descartar fatores de confusão, como sucção à base de líquido entre as duas superfícies ou algum tipo de rasgo dos polímeros PDMS. Tendo mostrado que o efeito que ele detectou não era um artefato de qualquer processo conhecido, Kesari decidiu descobrir o que estava acontecendo.

p A resposta acabou lidando com a rugosidade da superfície - quantidades minúsculas de rugosidade que seriam insignificantes nos mesmos materiais em escalas maiores ou em materiais mais rígidos nas mesmas escalas. Kesari e seus alunos começaram a criar um modelo matemático de como essa rugosidade pode afetar a adesão.

p Geral, a teoria prevê que a resistência da interface - o trabalho necessário para separar duas superfícies - aumenta continuamente à medida que a rugosidade aumenta até certo ponto. Após esse ponto de rugosidade máximo, a resistência diminui rapidamente.

p "Esta teoria abrangente ajuda a verificar se o que vimos em nossos experimentos era real, "Kesari disse." Agora também é algo que pode ser usado em engenharia em nanoescala. "

p Por exemplo, ele diz, uma compreensão completa da adesão é útil no projeto de sistemas microeletromecânicos - dispositivos com peças móveis em micro e nanoescala. Sem levar em conta como essas pequenas partes podem grudar e se soltar, eles podem facilmente se despedaçar. Outra aplicação poderia ser o uso de padronização de superfícies em nanoescala. Pode ser possível usar superfícies nano-padronizadas para fazer painéis solares que resistem ao acúmulo de poeira, o que lhes rouba a eficiência.

p "Podemos fazer muito pela engenharia em micro e nanoescalas, "Kesari disse." Mas vai ajudar se tivermos um melhor entendimento da física que é importante nessas escalas.