Kontrol over friktion, fra små til store skalaer

Friktion er svær at forudsige og kontrollere, især da overflader, der kommer i kontakt, sjældent er helt flade. Nye eksperimenter viser, at mængden af ​​friktion mellem to siliciumoverflader, selv i store skalaer, bestemmes af dannelse og brud af mikroskopiske kemiske bindinger mellem dem. Dette gør det muligt at kontrollere mængden af ​​friktion ved hjælp af overfladekemiteknikker. Denne forskning er blevet offentliggjort i Physical Review Letters .

"Der mangler en kvantitativ forståelse af friktion på trods af dens afgørende rolle i at tackle udfordringer så forskellige som at forudsige jordskælv og reducere energiforbruget i mekaniske enheder," siger ph.d. forsker Liang Peng, der har udført forskningsprojektet. Dette er ingen småting:Friktion anslås at være ansvarlig for mere end 20% af vores globale energiforbrug. Styring af friktionen i maskineri er også vigtig for at reducere materialeslid og øge positioneringspræcisionen.

Peng arbejdede sammen med andre forskere fra Institute of Physics og Van 't Hoff Institute of Molecular Sciences ved University of Amsterdam samt Advanced Research Center for Nanolithography (ARCNL). Forskningen er en del af et igangværende samarbejde om at undersøge, hvordan friktion i stor skala opstår på mikroskopisk niveau.

I de senere år har nye forskningsmetoder givet forskere mulighed for at zoome ind på, hvad der præcist sker, når to overflader kommer i kontakt og glider hen over hinanden. Det er afgørende, at overflader aldrig er helt glatte. På størrelse med en nanometer, en milliard af en meter, ligner de bjergrige landskaber med markante toppe og dale.

Tidligere eksperimenter og numeriske simuleringer har vist, at i denne lille skala er friktion i høj grad bestemt af dannelsen og brud af bindinger mellem overfladeatomer. Dette påvirkes ikke kun af ruheden af ​​glideoverfladerne, men også af hvilke atomer eller molekyler (såsom vand) der er til stede ved grænsefladen.

"Vi besluttede at udvide og anvende disse nanofriktionsmekanismer til større, industrielt relevante skalaer," forklarer Peng. Ved hjælp af et særligt instrument kaldet et rheometer undersøgte forskerne, hvordan mængden af ​​friktion mellem en relativt ru siliciumkugle og en glat siliciumwafer afhænger af tætheden af ​​mikroskopiske kemiske bindinger ved grænsefladen. Silicium (Si) er et særligt interessant materiale at studere takket være dets udbredte anvendelse i halvlederindustrien. Dens overflod i jordskorpen gør den også relevant for studiet af jordskælv.

Efter at have renset overfladerne for forurenende stoffer, opdagede forskerne, at der skal meget mindre kraft til for at glide kuglen hen over waferen – med andre ord er der mindre friktion – når overfladerne tørres længere i ren nitrogengas. Yderligere eksperimenter viste, hvad der sker på atomniveau:længere tørring reducerer antallet af hydroxylgrupper (OH) eksponeret på siliciumoverfladen. Når de bringes i kontakt med en anden siliciumoverflade, resulterer tilstedeværelsen af ​​disse grupper i dannelsen af ​​silicium-ilt-silicium (Si-O-Si)-bindinger mellem de to overflader.

Forskningen viser, at der er en slående sammenhæng mellem friktionskraften målt i store skalaer og tætheden af ​​mikroskopiske Si-OH-grupper på de to siliciumoverflader før kontakt, hvilket styrer antallet af Si-O-Si-bindinger, der dannes under kontakt. Tætheden af ​​disse kemiske bindinger reguleres ved at indstille den tid, hvor de rensede overflader tørres. Spændende nok betyder det, at det er muligt at forudsige og kontrollere friktionskraften mellem siliciumoverflader.

"Vores resultat er ret bemærkelsesværdigt, fordi det demonstrerer en kvantitativ forståelse af makroskopisk friktion ud fra de første principper. Vores resultater kan således bygge bro over den videnskløft, der hæmmer forståelsesbaseret kontrol over friktion," slutter Liang.

Flere oplysninger: Liang Peng et al., Controlling Macroscopic Friction through Interfacial Siloxane Bonding, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.226201

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af University of Amsterdam