測量粘性的新方法可以幫助微型器件設計

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】布朗大學的工程師們發明了一種測量微尺度表面粘性的新方法。該技術在《皇家學會學報A》中描述，可用於設計和構建微型機電系統(MEMS)，以及具有微觀運動部件的設備。在橋樑或建築物的尺度上，工程結構需要處理的最重要的力量是重力。但是就像智能手機和fitbit上使用的微型加速器那樣的mems設備的規模來說，重力的相對重要性降低了，粘附力也變得更重要了。布朗大學工程學院的助理教授、這項新研究的合著者Haneesh Kesari說：在微尺度上最重要的是什麼能堅持到底。如果設備的某些部件粘在一起不應該，那麼它就不會起作用。

微型機電設備必須經過工程設計，以處理在微觀尺度上佔主導地位的粘附力。布朗大學的研究人員已經開發出一種新的測量粘附力的理論框架。圖片版權：Kesari Lad / Brown University

因此為了設計MEMS器件，在我們使用的材料中有一個很好的測量附著係數的方法。這就是Kesari和兩位布朗研究生，文強和Joyce Mok的研究成果。具體地說，想要測量一個被稱為「粘附的工作」的量，這個量粗略地轉化為分離兩個粘附表面的單位面積所需要的能量。新研究開發的關鍵理論觀點是，微束的熱振動可以用來計算粘附的工作。這一見解提出了一種方法，在這種方法中，一種稍微改進的原子力顯微鏡(AFM)系統可以用來探測粘附性質。標準AFM的工作有點像一個唱機。在目標材料上有一個帶有鋒利指針的懸臂。在懸臂上顯示的激光測量了它沿著材料的輪廓移動時所產生的微小波動。這些波動可以用來描繪材料的表面性質。

採用這種方法來測量附著力，只需從懸臂上取下金屬尖，留下一個扁平的微束。這種光束可以被降低到目標材料上，在目標材料上，它會附著在物體上。當懸臂稍微升高時，部分梁就會鬆開，而其餘部分則卡住。光束的解卡部分會微微振動。作者找到了一種利用AFM激光測量該振動的程度的方法，來計算未卡部分的長度，從而可以用來計算目標材料的粘附工作。通過微小的修改，可以用原子力顯微鏡來測量微材料的外延。Credit: Kesari Lab/Brown University Fang表示，這項技術可以用於評估新的材料塗層或表面紋理，以減輕MEMS器件通過粘貼失敗。一旦有了一種可靠的技術來測量材料的粘附力，那麼就有了一種系統的方法來評估這些方法，以達到某一特定應用所需要的粘附水平。

這種方法的主要優點是不需要修改一個標準的AFM設置就可以做到這一點，這種方法也比其他技術簡單得多。以前基於干涉儀的方法是勞動密集型的，可能需要很多數據點。理論框架將為單一測量的粘附工作提供一個價值。在演示了這一技術後，Kesari說下一步是建立系統並開始收集一些實驗數據。他希望這樣一個系統能夠幫助MEMS領域向前發展。有MEMS加速計和陀螺儀，但我認為這個領域還沒有完全實現它的承諾。部分原因是人們還沒有完全理解小尺度上的附著力，我們認為一種更可靠的測量粘連的方法是獲得這種理解的第一步。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：皇家學會會刊A

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：布朗大學

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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