دانشمندان دانشگاه پنسیلوانیا به صورت تجربی یکی از مکانیسم‌های سایش در کوچکترین مقیاس را شرح دادند: انتقال ماده به صورت اتم به اتم از روی یک سطح به روی سطح دیگر.
تشریح مکانیسم سایش در مقیاس اتمی
سایش از پدیده‌های روزمره زندگی است. سطوح با ساییده شدن بر روی یکدیگر، دچار فروریختگی شده و شکل اصلی خود را از دست می‌دهند. سایش، اغلب مواد در ابعاد نانو را بیشتر از مواد ماکرو تحت تأثیر قرار می‌دهد. اکنون دانشمندان دانشگاه پنسیلوانیا به صورت تجربی یکی از مکانیسم‌های سایش در کوچکترین مقیاس را شرح دادند: انتقال ماده به صورت اتم به اتم از روی یک سطح به روی سطح دیگر.
یکی از مکانیسم‌های سایش که در مقیاس نانومتری ارائه شده بود، فرآیندی است که فرسایش اتمی (atomic attrition) نام دارد. در این مکانیسم، اتم‌ها با تشکیل و شکستن یک سری پیوند شیمیایی منفرد از یک سطح به سطح دیگر، منتقل می‌شوند. دانشمندان دیگر تلاش کردند این فرآیند را با قرار دادن دو سطح بر روی یکدیگر و لغزش یکی بر روی دیگری شرح دهند.
در تحقیقات گذشته از میکروسکوپ (AFM) استفاده شده است. اما AFM درک درستی از مکانیسم‌های آزمایش ارائه نمی‌دهد. حجم اتم‌های از دست رفته از نوک کاوشگر تنها پس از انجام آزمایش قابل اندازه‌گیری است و رقابت بین مکانیسم سایش، شکست و تغییر شکل پلاستیک قابل تماییز نیست.
کشف مهم گروه تحقیقاتی پنسیلوانیا این بود که آزمایشات سایش با استفاده از AFM را درون دستگاه میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) انجام دادند. با این کار، پرتوی از الکترون‌ها از میان نمونه (در این حالت همان نوک نانومتری AFM) عبور کرده و تصویری با بزرگنمایی بیشتر از ۱۰۰ هزار برابر از نمونه تولید می‌کند.
تصویر نوک سیلیکونیAFM در حال لغزش بر روی سطحی از جنس الماس در کنار عکس TEM گرفته شده از نوک کاوشگر.
این دانشمندان با اصلاح دستگاه مکانیکی تجاری مورد استفاده برای تست که درون دستگاه TEM قرار گرفته است، توانستند سطح تختی از الماس را بر روی نوک AFM حرکت دهند. با قرار دادن آرایش لرزانک – کاوشگر درون دستگاه TEM و راه‌اندازی آزمایش سایش، توانستند بطور همزمان میزان جابه‌جایی نوک، نیروی وارد شده به صفحه از جنس الماس و حجم اتم‌های برداشته شده در هر بازه را اندازه‌گیری کنند.
اگرچه این روش میکروسکوپی جدید نمی‌تواند از انتقال اتم‌های منفرد از نوک سیلیکونی به صفحه الماسی عکس‌برداری کند، اما این امکان را به دانشمندان می‌دهد تا ساختار اتمی نوک ساییده شده را به خوبی بررسی کرده و میزان شکستن و تغییر شکل‌های پلاستیک را مشخص کرده و بدین ترتیب مکانیسم سایش مناسب را ارائه دهند. ترکیب داده‌های دیداری (عکس‌ها) و نیروهای به دست آمده و در نهایت استفاده از فرمول‌های ریاضی نشان می‌دهند که اتم‌های سیلیکونی نوک کاوشگر با الماس پیوند داده و همانجا باقی می‌مانند.
دستاورد دیگر این دانشمندان پس از اندازه‌گیری حجم اتم‌های برداشت شده، میزان حرکت نوک کاوشگر و نیروی تماسی در هر آزمایش، توانایی آنها در اندازه‌گیری نرخ تشکیل پیوند سیلیکون- الماس تحت شرایط مختلف آزمایش است. با مقایسه داده‌های بدست آمده، پیش‌بینی سرعت تشکیل پیوند بر اساس تئوری سرعت واکنش (تئوری که استفاده از آن در شیمی بسیار متداول است) میسر است.
این دانشمندان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nature Nanotechnology منتشر کرده‌اند.
