科学家们解决了皱纹的物理问题

当我们想到皱纹时，我们通常会想到蚀刻到我们皮肤上的线条，这对于某些不受欢迎的现实，对于另一些则是人们过着幸福生活的骄傲标志。在材料科学中，皱纹也可能是需要的，也可能是不需要的。但是，导致皱纹发生的物理因素尚未完全了解。

现在，在最近发表于《应用物理快报》上的一篇论文中，冲绳科技大学研究生院（OIST）数学，力学和材料（MMM）部门的研究人员展示了如何通过改变皱纹来增加或减少皱纹。材料边缘的曲率。

“从历史上看，科学家和工程师一直致力于防止起皱，起皱会对压力传感器，飞机面板和轻型航天器结构（包括可展开的空间吊杆和望远镜）的性能产生不利影响，” MMM部门负责人埃利奥特·弗里德（Eliot Fried）教授说。“但是最近的研究还表明，起皱可以使材料具有有用的性能。例如，它可用于制造超疏水材料或制造以独特方式反射光的涂层。”

钻石机会之窗

当在玻璃板上生长的超薄纳米晶金刚石薄膜加工时，该装置首先遇到起皱现象。

该研究的第一作者，MMM部门的博士后研究员Stoffel Janssens博士说：“我正在去除纳米晶金刚石薄膜小区域下方的玻璃层，以创建金刚石窗口。” “钻石窗极难制造，但它们确实具有令人兴奋的潜在应用，包括用作透明结构，可以在其上生长细胞培养物并使其易于可视化。”

科学家们发现，起皱是制造钻石窗时不可避免的一部分。Janssens博士解释说，在玻璃板顶部生长纳米晶金刚石薄膜的过程涉及加热和冷却基板，这会导致两层以不同的量膨胀和收缩，从而在各层中产生应力。然后，当通过激光和酸在玻璃基板上开孔以形成金刚石窗口时，残余应力会导致纳米晶体金刚石膜的现在悬浮的部分变形并起皱，而该部分不再与玻璃板结合。边缘。

Fried教授说：“我们意识到，钻石窗为了解皱纹的某些物理因素提供了一个很好的机会。” “使用圆形钻石窗，我们通过实验证明了直径和边界曲率对起皱的影响，然后我们还开发了一个简单的理论模型来解释观察到的结果。”

衔接实验与理论

在这项研究中，研究人员创建了不同尺寸的钻石窗口，然后测量了每个钻石窗口弯曲边缘周围的悬浮膜中形成的皱纹的波长和数量。

他们发现，随着金刚石窗口尺寸的增加，粘结的纳米晶金刚石膜和悬浮的纳米晶金刚石膜之间的边界处的曲率减小，皱纹的密度降低，每个皱纹的波长更长。

研究人员还测量了整个金刚石窗口的应变水平，即由层中的应力引起的变形量。

“以传统方式测量2D材料上的应变非常复杂且昂贵，但是我们能够设计出一种技术，通过该技术，我们可以确定钻石窗口的表面轮廓（每个点的高度），然后开发算法来检索应变值。” Janssens博士说。

然后，研究小组利用实验结果建立了理论模型，他们认为该模型可用于设计具有功能性皱纹或减少皱纹的设备。

该模型还在实验中进行了扩展，表明包含负曲率的设备将进一步减少皱纹。

展望未来，该部门有兴趣创建环形而不是圆形的菱形窗口。尽管制造更具挑战性，但这些结构在纳米晶体金刚石薄膜的悬浮部分和附着部分之间有两个边界-一个具有正曲率，一个具有负曲率-允许科学家使用实验进一步探索其模型的有效性。

Fried教授说：“总体而言，这项研究整合了理论，计算，实验和分析。” “ OIST培育的跨学科环境使这项工作成为可能，并最终使我们部门的所有研究人员能够合作并扩展他们的专业知识。”

参考文献：“边界曲率对悬浮薄膜起皱的影响”，斯托弗尔·D·詹森斯，布尔汉努丁·苏迪斯纳，亚历山德罗·朱萨尼，詹姆斯·A·科维辛斯基，戴维·巴斯克斯-科特斯和艾略特·弗里德，2020年5月11日，应用物理学快报。