Styring af friktion ved at justere van der Waals kræfter

For at en bil kan accelerere, skal der være friktion mellem dækket og vejens overflade. Mængden af ​​genereret friktion afhænger af adskillige faktorer, herunder de små intermolekylære kræfter, der virker mellem de to overflader i kontakt - såkaldte van der Waals-kræfter. Betydningen af ​​disse intermolekylære vekselvirkninger i at generere friktion har længe været kendt, men er nu blevet demonstreret eksperimentelt for første gang af et forskerhold ledet af fysikprofessor Karin Jacobs fra Saarland University og professor Roland Bennewitz fra Leibniz Institute for New Materials (INM). Interessant nok, forskerholdet har vist, at friktionen, der virker på en materialeoverflade, er påvirket af strukturen af ​​de underjordiske lag.

Friktion er et dagligdags fænomen, som nogle gange er ønskeligt (at sætte biler i stand til at accelerere) og nogle gange ikke (friktion i form af køretøjsmodstand og friktion i motor og transmissionssystem øger bilens energiforbrug). For mange videnskabsmænd og ingeniører, evnen til at kontrollere friktion er derfor lige øverst på deres ønskeliste. En mulig tilgang til at kontrollere friktion er netop blevet offentliggjort af forskere ved Saarland University og INM. De har opdaget, at friktionskraften påvirkes af sammensætningen af ​​materialerne under overfladen.

Arbejdet udført af Saarbrücken-forskerne involverede at se nærmere på de intermolekylære kræfter, der virker mellem to materialer. For at kunne variere disse kræfter, forskerne arbejdede med poleret, single-crystal silicium wafers. "Waferne er dækket af siliciumdioxidlag af forskellig tykkelse og ligner dem, der bruges i halvlederindustrien, ' forklarede Karin Jacobs, Professor i eksperimentel fysik ved Saarlands Universitet.

Jacobs' hold målte præcist friktionen mellem siliciumdioxid (SiO ₂ ) lag af forskellig tykkelse og 200-nm spidsen af ​​en atomkraftmikroskopiprobe ved omhyggeligt at scanne spidsen hen over waferoverfladen. Det, fysikerne opdagede, var overraskende:selvom det øverste lag af overfladen altid bestod udelukkende af SiO ₂ , spidsen af ​​atomkraftmikroskopet oplevede forskellige friktionskræfter afhængigt af tykkelsen af ​​siliciumdioxidlaget. 'Jo tyndere oxidlaget er, jo større friktion, sagde Jacobs. Undersøgelsen viste, at de friktionskræfter, der var forbundet med skiverne, var forskellige med så meget som 30 procent afhængigt af tykkelsen af ​​SiO ₂ lag. Effekten blev også observeret, når siliciumskiverne var dækket med et vandafvisende monolag af silanmolekyler (langkædede kulbrinter).

'Resultaterne af vores undersøgelse har betydelige konsekvenser for mange praktiske anvendelser, sagde professor Jacobs. 'Da styrken af ​​van der Waals -kræfterne afhænger af sammensætningen af ​​et materiale til dybder på op til 100 nanometer, omhyggeligt design af lagstrukturen ved overfladen af ​​et materiale kan reducere friktionen. Dette giver os en anden tilgang til at kontrollere friktion ud over den etablerede brug af smøremidler.'