Nye nanomålinger tilføjer gnist til århundreder gammel friktionsteori

Fænomenet friktion, når de studeres på nanoskala, er mere kompleks end tidligere antaget. Når der opstår friktion, et objekt glider ikke bare overfladen over en andens, det gør også en lille op-og-ned bevægelse. Dette fund fuldender en århundredgammel teori om friktion fra 1699 og afdækker et hul i nutidens tænkning om friktion. Fænomenet-kaldet lift-up hysterese-blev beskrevet i en nylig undersøgelse af forskere Farid Al-Bender, Kris De Moerlooze og Paul Vanherck fra Production Engineering, Maskindesign og automationsafdeling ved KU Leuvens afdeling for maskinteknik.

Friktion er den kraft, der opstår, når en overflade glider over en anden, eller når et objekt bevæger sig gennem en væske eller en gas. Indtil nu, teorien, der forklarer fænomenet friktion, var fragmenteret. Franske fysikere Guillaume Amontons og Charles August Coulomb, arbejder i slutningen af ​​det 17. og midten af ​​det 18. århundrede, henholdsvis, stræbte efter at finde en forklaring på friktionsmodstand. Friktionsmodstand forklarer, for eksempel, hvorfor glide et tungt skab hen over et gulv er meget vanskeligere end at glide en stol. Når vægten af ​​et objekt stiger, det gør modstanden også. Gulvet og bunden af ​​kabinettet bevæger sig mod hinanden fra venstre mod højre eller omvendt. Men samtidig ligger kabinettets vægt vinkelret på bunden af ​​kabinettet og gulvet. Denne normale belastning - 'normal' i betydningen at være vinkelret på forskydningsretningen - skubber de to overflader sammen og frembringer modstand, når der opstår friktion. Hvis vi sætter stolen og kabinettet på hjul og skubber dem op ad bakke, mere kraft er nødvendig for at flytte kabinettet end at flytte stolen.

Ved hjælp af denne begrundelse, Amontons og Coulomb forklarede friktion ved ru overflader på begge overflader:de (undertiden mikroskopisk små) kroge og kroge på en overflade - asperiteter - som sætter sig på en anden, når et objekt hviler på en anden. Når der opstår friktion, disse asperiteter spiller rollen som skråninger. De er skabt til at klatre, ned og deformere, så bevægelse kan fortsætte, ligner det, der sker, når børsterne på to børster gnider sammen. Denne teori kaldes undertiden 'bumphypotesen', fordi den ene overflade sliber over en anden bump med en bevægelse op og ned.

I det 20. århundrede blev det klart, at den eksisterende teori ikke helt svarede til termodynamikkens love, videnskaben, der studerer omdannelse af varme til mekanisk energi eller omvendt. Specifikt, Amontons og Coulombs bumphypotese kunne ikke forklare tabt energi som følge af friktion. I deres teori, summen af ​​den energi, der er nødvendig for at gå 'op ad bakke' og derefter 'ned ad bakke' er nul. På samme tid, vi ved, at rene overflader har en elektrokemisk tendens til at klæbe til hinanden. Dette skyldes, at asperities sidder fast i hinanden i et fænomen kaldet adhæsion. Et typisk eksempel er Scotch tape. Når der sker bevægelse, alle bindinger mellem asperiteterne på de to overflader brydes og reformeres andre steder. Følgelig, faktorer som hastighed og acceleration påvirker friktion. Med fremkomsten af ​​den nyere adhæsionsteori, Amontons og Coulombs teori falmede gradvist i glemmebogen. Men den moderne vedhæftningsteori om friktion viste sig at have sin egen inkonsekvens.

Mikro- og nanoskala måleteknikker gør det nu muligt for forskere at studere friktion på atomært niveau. Professor Farid Al-Bender og hans team gennemførte et eksperiment med ekstremt præcise friktions- og forskydningssensorer og testede forskellige materialer (papir, plast og messing) ved forskellige bevægelseshastigheder. Resultaterne kortlægger friktionskraftmålinger i overensstemmelse med dem, der forudsiges ved adhæsionsteori. Men indtil nu, 'normal bevægelse' - bevægelse vinkelret på gnidningsbevægelsen - var endnu ikke blevet målt. Selvom normal bevægelse udgør blot 5-50 nanometer-milliarder af en meter-var denne systematiske bevægelse op og ned tidligere blevet overset. Målinger af denne normale bevægelse, siger KU Leuven -forskerne, bekræfter den århundredgamle hypotese om asperitetsdeformation og hældning, som Amontons og Coulomb var banebrydende for, og tegner et mere komplekst billede af friktionsfænomenet, fordi normal bevægelse nu skal tages i betragtning, når der udvikles en omfattende friktionsteori. Al-Bender og hans teams resultater tyder på, at friktion skyldes interaktion mellem både vedhæftning på den ene side og asperitetsdeformation og hældning på den anden side.

Tribologi - videnskaben om friktion, smøring og slid - er et vigtigt område inden for maskinteknik. Tribologi -forskning kan hjælpe med at sænke økonomiske og miljømæssige omkostninger ved produktion og brug. Hvis interaktionen mellem overflader i bevægelse kan kontrolleres, tid og energi input kan optimeres og slid, funktionsfejl og affald kan reduceres. Tribologi -forskning kan også bidrage til miniaturisering af produkter, såsom computerkomponenter. På KU Leuven, forskning i tribologi er tæt forbundet med forskning inden for maskinteknik, maskindesign, materialevidenskab og robotik.