اثر زبری بر چسبندگی بین سطوح الماس در مقیاس اتمی

راشل کانارا سرپرست پروژه‌ی CNST و همکارانش با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک
مولکولی، تئوری تابع چگالی و اندازه‌گیری‌های انجام شده با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
که در دانشگاه ویسکونسین-مادیسون صورت گرفته‌است، چسبندگی فیزیکی و مکانیکی فصل
مشترک‌های نانومقیاس بین سطوح الماس را بررسی کرده‌اند.

انتظار می‌رود در سطوح صیقلی با مقیاس اتمی، چگالی اتمی بیشتر صفحه‌ی بلوری (۱۱۱)،
موجب ایجاد گشتاور دو قطبی الکترواستاتیک بزرگتری بر واحد سطح شود و در نتیجه نیروی
چسبندگی نسبت به جهت (۰۰۱)، بزرگتر جلوه کند. اندازه‌گیری‌های انجام شده با AFM که
با شبیه‌سازی‌های مدل نانوکامپوزیت‌های الماس مطابقت می‌کنند مواردی را نشان می‌دهند
که تنها بر اساس تغییر زبری سطوح در مقیاس اتمی توجیه می‌شود. در تک‌بلور‌ها این
تغییر در زبری ممکن است در جهت‌گیری‌های هنگام رشد بلور ایجاد شود.

برخلاف مطالعات پیشین با روش ab initio که انرژی‌های سطوح (۱۱۱)(۱×۱)-H الماس و
سطوح (۰۰۱)(۱×۱)-H بازسازی نشده‌ی الماس را مقایسه می‌کرد، شبیه‌سازی‌های دینامیک
مولکولی انجام شده در USNA، سطح(۲×۱) بازسازی شده‌ی C(001)-H را شبیه‌سازی می‌کند.

شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که سطح C(001)(2×۱)-H برای سطح بازسازی نشده، بسیار
مطلوب است. تایید این شبیه‌سازی‌ها، تصاویر با دقت بالای AFM از سطح(۰۰۱) هستند.

زمانی‌که از ساختار سطحی(۰۰۱) مناسب استفاده می‌شود، شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، هم‌زمان
با محاسبه‌ی عملکرد چسبندگی برای سطوح مشترک، برهم‌کنش‌های نیروهای وان‌دروالس (مانند
انرژی‌های سطحی) را نیز در گستره‌ی وسیعی از سطح محاسبه می‌کند. علاوه بر این،
محاسبه‌ی تئوری تابع چگالی با استفاده از روش ab initio، وجود دوقطبی‌های پیوندی را
روی سطوح تک‌بلور الماس نشان می‌دهد.

در بررسی‌های اصطکاک لغزشی سطح با استفاده از AFM، مکانیک تماس فصل مشترک از مقدار
وابستگی سطح تماس به بارگذاری انجام شده به دست می‌آید. سپس عملکرد چسبندگی با
استفاده از مدلی مناسب برای مکانیک تماس و نیروهای کششی که در زمان آزمایش‌های لغزش
و اندازه‌گیری‌های جابجایی نیروی شبه پایدار اندازه‌گیری می‌شوند، محاسبه می‌شود.
این نتایج، مفاهیمی را برای طراحی ابزارهای MEMS/NEMS که از الماس یا مواد شبه
الماس استفاده می‌کنند، ارایه می‌کند.