Сотрудники Института механики сплошных сред УрО РАН разработали математическую модель, уточняющую описание взаимодействия тел на нанометровом уровне и позволяющую более корректно расшифровывать данные атомно-силовой микроскопии.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) позволяет проводить комплексные исследования на микро- и наноуровне: совместно с трёхмерным рельефом поверхности регистрируются и силовые взаимодействия зонда с материалом.

Большое внимание ученые ИМСС УрО РАН уделяют расшифровке взаимодействий зонда с поверхностью полимерных материалов. Для этого разрабатываются новые математические модели. Одно из последних исследований — теоретическое обоснование необходимости точного учёта явлений, связанных с появлением криволинейной границы контакта зонда с материалом. При разработке новой модели было принято во внимание исчезновение и появление новых поверхностей контакта и соответствующее изменение энергии поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение проявляется на границе раздела фаз, и встречается всюду в окружающем мире: оно отвечает за шарообразную форму капли жидкости, его использует насекомое водомерка, чтобы скользить по поверхности водоёма.

Эффекты, вызванные поверхностным натяжением, играют огромную роль в микро- и наномире. Так, например, в капле воды радиусом 1 мм сила поверхностного натяжения создаёт давление лишь 0,15 % атмосферного — всего около 150 Па. Однако при радиусе 1 нм, давление в ней будет уже 150 МПа, т.е. превысит атмосферное в 1500 раз, а это почти в полтора раза больше, чем на дне Марианской впадины. Именно с эффектами такого порядка встречаются зонды АСМ, имеющие радиус кончика несколько нанометров.

Для верификации разработанной модели были использованы данные наноиндентации на АСМ Ntegra Prima. Модель с высокой точностью описала процесс индентирования и сопровождающие его эффекты.

По результатам работы поданы публикации в рецензируемые журналы, создана компьютерная программа (свидетельство № 2024681897 от 16.09.2024).

Источник: ПФИЦ УрО РАН.