Fulleren-kugler kan bruges til at glide i nanoverdenen

"Nano-maskiner" (omkring en milliardtedel af en meter i størrelse) i fremtiden vil have brug for bittesmå enheder for at reducere friktionen og gøre bevægelse mulig. C60 molekylet, også kendt som fulleren eller buckyball, forekom for mange en fremragende kandidat til nano-lejer. Desværre, resultaterne hidtil har været modstridende, opfordrer til yderligere undersøgelser, som den udført af et teoretisk team, der involverer SISSA, ICTP, CNR og EMPA. Gennem en række computersimuleringer afslørede forskerne årsagen til de eksperimentelle uoverensstemmelser og kastede lys over dette materiales sande potentiale.

For omkring 3500 år siden, mennesket opfandt hjulet for at gøre livet lettere. Derefter, takket være Leonardo Da Vincis geni, hjulet blev gjort mindre for at opnå kuglelejer. Og i dag? "I dag forsøger vi at blive endnu mindre:videnskabsmænd tænker på nano-lejer", kommenterer Andrea Vanossi, fra CNR – Demokritos og Den Internationale Skole for Avancerede Studier (SISSA) i Trieste, blandt forfatterne til en undersøgelse, der netop er blevet offentliggjort i Nanoskala . "I fremtiden vil vi have mange nanomaskiner, der er i stand til at udføre de mest forskelligartede opgaver, for eksempel transport af medicin inde i menneskekroppen. For at spare energi, mange af disse køretøjer skal kunne bevæge sig effektivt, bruger så lidt energi som muligt, og "nano"-størrelse kuglelejer kan hjælpe med at nå dette mål".

"Forskere troede, de kunne bruge C60, en hul kulstof nanosfære, måler en nanometer i diameter", forklarer Erio Tosatti, SISSA professor og en anden forfatter til undersøgelsen", men der er et problem:de eksperimentelle resultater er i fuldstændig afvigelse fra hinanden". C60 har en temperatur (260° Kelvin), hvor molekylerne pludselig bliver frie til at rotere, som forhåbentlig har en rolle i friktion. De to vigtigste eksperimenter, der er udført til dato, imidlertid, har givet modstridende resultater:over denne temperatur, når materialet blev gjort til at glide over et underlag, i et tilfælde var der ingen signifikant reduktion i friktion, hvorimod faldet i den anden var dramatisk, godt 100%. "Hvad sker der? Hvis vi antager, at målingerne er korrekte og eksperimenterne udført korrekt (og vi har ingen grund til at tro andet), hvordan forklarer vi denne forskel?", undrer Vanossi. "Af denne grund, vi besluttede at verificere".

Teamet (et samarbejde mellem SISSA, det internationale center for teoretisk fysik "Abdus Salam" ICTP i Trieste, det italienske nationale forskningsråd CNR, og de schweiziske føderale laboratorier for materialevidenskab og teknologi) gennemførte en teoretisk, simulationsbaseret undersøgelse.

"Vi simulerede den lille spids af et elektronmikroskop med en C60-flage, som blev slæbt over en overflade også lavet af C60", forklarer Vanossi. "Vi opdagede, at når flagen var fastgjort på en sådan måde, at den ikke kunne rotere, faldt friktionen ikke, selv hvis vi hævede temperaturen til over 260° K. Det er som om, at lejerne, der udgør flaget, griber ind i underlaget, uden nano-bærende effekt. Imidlertid, når flagen var fri til at rotere, var der et dramatisk fald i friktionen, og flaget kunne glide langt mere jævnt hen over overfladen".  Men her skyldes faldet i friktion ikke kuglelejeeffekten, men til ændringen i kontaktgeometrien.

De to stater gengiver derfor resultaterne af de to forsøg. "Vores data afspejler trofast de empiriske observationer", slutter Tosatti. "Dette lover selvfølgelig ikke godt for den fremtidige brug af fullerit til at reducere friktion på nanoskala, ved at den nanobærende funktion ikke er bekræftet, men det kaster endelig lys over fysikken i dette problem".