【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】布朗大学的工程师们发明了一种测量微尺度表面粘性的新方法。该技术在《皇家学会学报A》中描述，可用于设计和构建微型机电系统(MEMS)，以及具有微观运动部件的设备。在桥梁或建筑物的尺度上，工程结构需要处理的最重要的力量是重力。但是就像智能手机和fitbit上使用的微型加速器那样的mems设备的规模来说，重力的相对重要性降低了，粘附力也变得更重要了。布朗大学工程学院的助理教授、这项新研究的合著者Haneesh Kesari说：在微尺度上最重要的是什么能坚持到底。如果设备的某些部件粘在一起不应该，那么它就不会起作用。
微型机电设备必须经过工程设计，以处理在微观尺度上占主导地位的粘附力。布朗大学的研究人员已经开发出一种新的测量粘附力的理论框架。图片版权：Kesari Lad / Brown University
因此为了设计MEMS器件，在我们使用的材料中有一个很好的测量附着系数的方法。这就是Kesari和两位布朗研究生，文强和Joyce Mok的研究成果。具体地说，想要测量一个被称为“粘附的工作”的量，这个量粗略地转化为分离两个粘附表面的单位面积所需要的能量。新研究开发的关键理论观点是，微束的热振动可以用来计算粘附的工作。这一见解提出了一种方法，在这种方法中，一种稍微改进的原子力显微镜(AFM)系统可以用来探测粘附性质。标准AFM的工作有点像一个唱机。在目标材料上有一个带有锋利指针的悬臂。在悬臂上显示的激光测量了它沿着材料的轮廓移动时所产生的微小波动。这些波动可以用来描绘材料的表面性质。
采用这种方法来测量附着力，只需从悬臂上取下金属尖，留下一个扁平的微束。这种光束可以被降低到目标材料上，在目标材料上，它会附着在物体上。当悬臂稍微升高时，部分梁就会松开，而其余部分则卡住。光束的解卡部分会微微振动。作者找到了一种利用AFM激光测量该振动的程度的方法，来计算未卡部分的长度，从而可以用来计算目标材料的粘附工作。通过微小的修改，可以用原子力显微镜来测量微材料的外延。Credit: Kesari Lab/Brown University Fang表示，这项技术可以用于评估新的材料涂层或表面纹理，以减轻MEMS器件通过粘贴失败。一旦有了一种可靠的技术来测量材料的粘附力，那么就有了一种系统的方法来评估这些方法，以达到某一特定应用所需要的粘附水平。
这种方法的主要优点是不需要修改一个标准的AFM设置就可以做到这一点，这种方法也比其他技术简单得多。以前基于干涉仪的方法是劳动密集型的，可能需要很多数据点。理论框架将为单一测量的粘附工作提供一个价值。在演示了这一技术后，Kesari说下一步是建立系统并开始收集一些实验数据。他希望这样一个系统能够帮助MEMS领域向前发展。有MEMS加速计和陀螺仪，但我认为这个领域还没有完全实现它的承诺。部分原因是人们还没有完全理解小尺度上的附着力，我们认为一种更可靠的测量粘连的方法是获得这种理解的第一步。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：皇家学会会刊A
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：布朗大学
编译：光量子
审校：博科园
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