Когда мы думаем о морщинах, мы обычно представляем себе морщины, выгравированные на нашей коже, для одних неприятная реальность, а для других гордый признак хорошо прожитой жизни. В материаловедении морщины также могут быть желаемыми или нежелательными. Но физические факторы, вызывающие образование складок, еще полностью не изучены.
Теперь в статье, недавно опубликованной в Applied Physics Letters, исследователи из отдела математики, механики и материалов (MMM) Окинавского института науки и технологий (OIST) показали, как можно увеличить количество морщин. или уменьшено путем изменения кривизны на краю материала.
«Исторически ученые и инженеры были сосредоточены на предотвращении образования складок, которые могут неблагоприятно влиять на работу датчиков давления, панелей самолетов и легких конструкций космических кораблей, включая развертываемые космические стрелы и телескопы», - сказал профессор Элиот Фрид, возглавляющий исследование. агрегат МММ. «Но недавние исследования также показали, что сморщивание может придавать материалам полезные свойства. Например, его можно использовать для придания материалу супергидрофобности или для создания покрытий, уникальным образом отражающих свет».
Бриллиантовые окна возможностей
Установка впервые столкнулась с явлением складчатости при работе с ультратонкими нанокристаллическими алмазными пленками, выращенными на листе стекла.
«Я удалял слой стекла под небольшими участками нанокристаллической алмазной пленки, чтобы создать алмазные окна», - сказал д-р Стоффель Янссенс, первый автор исследования и научный сотрудник отдела МММ.«Алмазные окна чрезвычайно сложно изготовить, но у них есть действительно интересные потенциальные применения, в том числе использование в качестве прозрачной структуры, на которой можно выращивать клеточную культуру и легко визуализировать».
Ученые обнаружили, что образование складок было неизбежной частью изготовления алмазных окон. Процесс выращивания нанокристаллической алмазной пленки поверх стеклянного листа включает в себя нагрев и охлаждение подложки, в результате чего два слоя расширяются и сжимаются в разной степени, создавая напряжение в слоях, пояснил д-р Янссенс. Затем, когда лазером и кислотой в стеклянной подложке проделывается отверстие, образующее алмазное окно, остаточное напряжение заставляет теперь подвешенную часть нанокристаллической алмазной пленки, которая больше не связана с листом стекла, деформироваться и сморщиваться вокруг. край.
«Мы поняли, что ромбовидные окна дают нам прекрасную возможность понять некоторые физические факторы, влияющие на образование складок», - сказал проф. Жареный. «Используя круглые ромбовидные окна, мы экспериментально продемонстрировали влияние диаметра и кривизны границ на образование складок, а затем разработали простую теоретическую модель, объясняющую то, что мы наблюдали».
Связь эксперимента и теории
В ходе исследования исследователи создали алмазные окна разного размера, а затем измерили длину волны и количество складок, образовавшихся в подвесной пленке вокруг изогнутого края каждого алмазного окна.
Они обнаружили, что по мере увеличения размера алмазных окон, уменьшая кривизну на границе между связанной и подвешенной нанокристаллической алмазной пленкой, плотность морщин уменьшалась, а длина волны каждой морщины становилась больше.
Исследователи также измерили уровень деформации - степень деформации, вызванной напряжением в слоях - на алмазных окнах.
Измерение деформации в 2D-материале обычным способом очень сложно и дорого, но мы смогли разработать метод, в котором вместо этого мы определяли профиль поверхности алмазного окна - насколько высока каждая точка - а затем разработали алгоритмы для получения значений деформации», - сказал д-р. Янссенс.
Затем команда использовала экспериментальные результаты для разработки теоретической модели, которую, по их мнению, можно использовать для разработки устройств с функциональными или уменьшенными складками.
Модель также расширила эксперименты, предполагая, что устройства, содержащие отрицательную кривизну, будут видеть дальнейшее сокращение складок.
В дальнейшем подразделение заинтересовано в создании ромбовидных окон в форме колец, а не кругов. Хотя эти структуры более сложны в изготовлении, они имеют две границы между подвешенными и прикрепленными частями нанокристаллических алмазных пленок - одну с положительной кривизной и одну с отрицательной кривизной, что позволяет ученым использовать эксперименты для дальнейшего изучения достоверности их модели.
«В целом, это исследование объединяет теорию, вычисления, эксперименты и анализ», - сказал профессор Фрид. «Междисциплинарная среда, созданная в OIST, сделала эту работу возможной и в конечном итоге позволила всем исследователям нашего подразделения сотрудничать и расширять свой опыт."