作者凯文·史黛西，布朗大学 在非常小的范围内，粘附力占主导地位
一项可能对纳米工程有用的发现是，新的研究显示微小的表面粗糙度会影响粘性
学分:凯萨里实验室/布朗大学 布朗大学的研究人员发现了物体在微小尺度上粘在一起的方式，这可能有助于设计微型和纳米级设备
在一系列论文中，最新的一篇发表在《科学报告》上，研究人员表明，表面粗糙度的微小差异会导致两个表面相互粘附的方式发生惊人的变化
研究表明，一定程度的粗糙会导致表面相互施加不同的力，这取决于它们是被推到一起还是被拉开
博士林炜·邓说:“人们研究粘附已经有100多年了，但是现有的理论都没有抓住这一点。”
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布朗大学的学生和这项研究的主要作者
“在这项工作的过程中，我们用实验证明了这一点确实存在，现在我们有了一个捕捉它的理论框架
" 研究人员说，这是一个微妙的见解，可能会对纳米工程产生重要影响
在非常小的范围内，一个叫做范德华力的粘着力家族占主导地位
因此，更全面地了解这些力量是如何发挥作用的至关重要
“在亚微米尺度上，粘附力占主导地位，而相比之下重力基本上没有意义，”布朗大学工程学院的助理教授哈内什·凯萨里说，他负责监督这项研究
“这就是为什么像苍蝇和蚂蚁这样的小昆虫可以毫无问题地爬墙和爬天花板
因此，从实用的角度来看，如果我们想在这些尺度上进行工程设计，我们需要一个更完整的理论，说明粘附力如何变形和塑造材料表面，以及表面粗糙度如何影响表面粘附和相互滑动
" 这条研究路线始于十年前，当时凯萨里正在进行小规模的粘附力测试实验
“这些实验是研究这个问题最基本的方法，”凯萨里说
“我们只是把两个固体放在一起，测量两个表面之间的力，然后再把它们拉开
" 为了在微观尺度上做到这一点，凯萨里使用了原子力显微镜(AFM)仪器
原子力显微镜有点像微型唱机
一端悬挂着一根小针的悬臂被拖过一个表面
通过测量悬臂上下晃动的程度，研究人员可以绘制出表面的物理特征
对于凯萨里的实验，他稍微修改了一下设置
他用一个微小的玻璃珠代替了针头，并利用悬臂简单地升高和降低玻璃珠——使其与基底接触，然后一次又一次地将它拉回来
基板由PDMS制成，这是一种在微型工程系统中经常使用的柔软聚合物材料
悬臂测量两个表面相互施加的力
实验表明，当珠子和PDMS靠得很近或几乎不接触时，两者之间就有一种吸引力
当两者完全接触时，悬臂继续向下推，力翻转——两个固体试图相互推开
当悬臂再次升起，两个固体分开时，吸引力返回，直到间隙大到足以使力完全消失
这些结果并不令人惊讶
它们与人们通常认为的粘合方式一致
令人惊讶的是:珠子和PDMS基底之间的吸引力大小是不同的，这取决于悬臂是向上还是向下
“这让我非常惊讶，”凯萨里说
“你们有完全相同的分离距离，但是当你加载和卸载时，力是不同的
理论文献中没有任何解释
" 凯萨里以几种稍微不同的方式进行了实验，以排除混淆因素，比如两个表面之间的液体吸力或某种PDMS聚合物的撕裂
在表明他检测到的效应不是任何已知过程的人工产物后，凯萨里开始弄清楚到底发生了什么
答案是处理表面粗糙度——在较大尺度下，在相同材料中，或者在相同尺度下，在较硬的材料中，微小的粗糙度是不重要的
凯萨里和他的学生着手创建一个数学模型，研究这种粗糙度如何影响附着力
总的来说，该理论预测，当粗糙度增加到一定程度时，界面韧性(分离两个表面所需的功)会稳步增加
在峰值粗糙度点之后，韧性迅速下降
“这个综合理论有助于验证我们在实验中看到的是真实的，”凯萨里说
“现在它也可以用于纳米工程
" 例如，他说，对粘附力的全面理解有助于设计微机电系统——具有微米和纳米级运动部件的设备
如果不能正确解释这些微小的部分是如何粘着和脱离的，它们可能会很容易把自己磨成碎片
另一个应用是使用纳米尺度的表面图案
有可能使用纳米图案的表面来制造太阳能电池板，这种电池板能够抵抗灰尘的堆积，而灰尘的堆积会降低太阳能电池板的效率
“通过微尺度和纳米尺度的工程，我们可以做很多事情，”凯萨里说
“但如果我们更好地理解在这些尺度上重要的物理学，这将会有所帮助
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