Identifikation af oprindelsen af ​​makroskopisk friktion mellem lermineraloverflader

NIMS, University of Tokyo og Hiroshima University opdagede i fællesskab for første gang, gennem teoretiske beregninger og eksperimenter, at makroskopiske friktioner, der opstår mellem lermineraloverflader, stammer fra interatomiske elektrostatiske kræfter mellem disse overflader. Denne opdagelse kan lette designet af faste smørematerialer og forståelsen af ​​jordskælvsfremkaldende fejlglidningsmekanismer.

Friktionskræfter mellem overfladerne af lagdelte krystaller, såsom lermineraler, er generelt lave. Denne ejendom menes at være årsag til jordskred og forkastningsbevægelser i naturen. Der er gjort en aktiv indsats inden for friktionsforskning for at udvikle friktionsreducerende faste smøremidler og til andre formål. Oprindelsen af ​​friktion mellem lermineraloverflader var blevet antaget at være induceret af nogle slags bindingskræfter; imidlertid, disse kræfter blev ikke forstået i detaljer på grund af komplekse påvirkninger af elektrostatiske og intermolekylære kræfter mellem lermineraloverflader, krystallografiske orienteringsforskelle mellem disse overflader, overfladeruhed og tilstedeværelsen af ​​urenheder.

Dette fælles forskerhold studerede muskovit - et lagdelt lermineral - med flade og glatte overflader på atomniveau. Holdet fjernede først fugt fra rummet mellem muskovitoverfladerne (20 cm x 40 cm i areal) ved at påføre højt tryk under tørre forhold. Holdet målte derefter friktionskræfter mellem muskovitoverfladerne ved forskellige glidepositioner. Som resultat, holdet observerede slidpartikler produceret fra slidte muskovitoverflader og fandt ud af, at disse partikler kan have ophævet effekten af ​​krystallografisk orientering på friktionskræfter. Holdet bestemte også friktionskræfterne genereret ved at estimere interatomiske elektrostatiske kræfter mellem kontaktflader ved hjælp af kvantemekaniske beregninger, under antagelse af, at effekten af ​​krystallografisk orientering på friktionskræfter er nul. De beregnede friktionskræfter matchede næsten perfekt eksperimentelle resultater. Dermed, forskerholdet bekræftede for første gang, at friktioner, der opstår mellem overfladerne af lermineraler på ti centimeter store, styres af elektrostatiske kræfter på atomare skala.

I fremtidige undersøgelser, forskerne håber at udvikle en teori, der vil forklare friktionsstyrke i en bred vifte af lermineraler, foruden muskovit. En sådan teori kan give retningslinjer for materialedesign for friktionsreducerende faste smøremidler og andre friktionsrelaterede produkter.