Fysikere opdager en ny form for friktion i nanoverdenen

Uanset om det er i køretøjstransmissioner, hofteudskiftninger, eller bittesmå sensorer til at udløse airbags:De respektive komponenter skal glide mod hinanden med minimal friktion for at forhindre tab af energi og materialeslid. Undersøgelse af nanosystemers friktionsadfærd, forskere fra Technische Universitaet Muenchen har opdaget en hidtil ukendt type friktion, der kaster nyt lys over nogle tidligere uforklarlige fænomener.

Friktion er et allestedsnærværende, men ofte irriterende fysisk fænomen:Det forårsager slid og energitab i maskiner såvel som i vores led. På jagt efter lavfriktionskomponenter til stadigt mindre komponenter, et hold fysikere under ledelse af professorerne Thorsten Hugel og Alexander Holleitner opdagede nu en hidtil ukendt type friktion, som de kalder "desorptionspind".

Forskerne undersøgte, hvordan og hvorfor enkelte polymermolekyler i forskellige opløsningsmidler glider hen over eller klæber til bestemte overflader. Deres mål var at forstå fysikkens grundlæggende love på molekylær skala for at udvikle målrettede anti-friktionsoverflader og passende smøremidler.

Til deres undersøgelser vedhæftede forskerne enden af ​​et polymermolekyle til den nanometerfine spids af et meget følsomt atomkraftmikroskop (AFM). Mens de trak polymermolekylet over testoverflader, AFM målte de resulterende kræfter, hvoraf forskerne direkte kunne udlede polymerspolens opførsel.

Ny friktionsmekanisme opdaget

Udover de to forventede friktionsmekanismer, såsom at klæbe og glide, opdagede forskerne en tredje for visse kombinationer af polymer, opløsningsmiddel og overflade.

"Selvom polymeren klæber til overfladen, polymerstrengen kan trækkes fra sin oprullede konformation ind i den omgivende opløsning uden væsentlig kraft, der skal udøves, " eksperimentel fysiker Thorsten Hugel beskriver denne adfærd. "Årsagen er sandsynligvis en meget lav indre friktion i polymerspolen."

Nøglen er opløsningsmidlet

Overraskende nok, desorptionsstift afhænger hverken af ​​bevægelseshastigheden eller af polymerens understøtningsflade eller klæbestyrke. I stedet, overfladens kemiske karakter og opløsningsmidlets kvalitet er afgørende. For eksempel, hydrofob polystyren udviser ren glidende adfærd, når den er opløst i chloroform. I vand, imidlertid, det viser desorptionspind.

"Forståelsen opnået ved vores måling af enkelt-molekyle friktion åbner nye måder at minimere friktion, " siger Alexander Holleitner. "I fremtiden, med målrettet fremstilling af polymerer, nye overflader kunne udvikles specifikt til nano- og mikrometerområdet."