Forskere tuner friktion i ioniske faste stoffer på nanoskala

Friktion påvirker bevægelse, derfor behovet for at kontrollere friktionskræfterne. I øjeblikket, dette opnås ved mekanistiske midler eller smøring, men eksperimenter udført af forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har afsløret en måde at kontrollere friktion på ioniske overflader på nanoskala ved hjælp af elektrisk stimulation og omgivende vanddamp.

Forskningen, som viser en ny fysisk effekt, blev gennemført på Center for Nanofase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL, og er publiceret i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

"Vores fund kan have en betydelig teknologisk indvirkning på applikationer til både makroskopiske og nanoskalaenheder, " sagde hovedforfatter Evgheni Strelcov. "At mindske eller øge friktion på nanoskala efter behag og dermed kontrollere mekaniske energitab og slid på et mikroelektromekanisk systems dele har enorme implikationer for anvendt energiforskning og åbner et nyt perspektiv for grundlæggende videnskabelige studier."

Ved at inducere et stærkt elektrisk felt ved hjælp af et atomkraftmikroskop, forskerne var i stand til både at øge og mindske friktionen mellem en bevægelig nanoskalaelektrode og en ionisk overflade. De hævder, at den primære effekt, der er ansvarlig for denne adfærd, er kondensering af fugt fra den omgivende luft til væske, som derefter kan reducere friktionen.

Samtidigt, yderligere styrkelse af det elektriske felt resulterer i, at nanoskalaelektroden trænger ind i overfladen og øger friktion. Denne penetration er en ny og uventet effekt, og den overordnede tilgang adskiller sig fra andre metoder til friktionskontrol, der ofte kræver tilsætning af et smøremiddel til systemet i stedet for at trække på ressourcer, der er let tilgængelige i det umiddelbare miljø.

Derudover i modsætning til andre elektrokemiske friktionskontrolmetoder, den nye teknik kræver ikke en elektrisk strøm, som er forbundet med energitab.

"Fravær af strøm er yderst fordelagtigt set ud fra et strømbesparende perspektiv, da det eliminerer Joule-opvarmning og andre parasitære strømforbrugende effekter, " siger Bobby Sumpter, der ledede gruppen, der udviklede tilhørende teoretiske modeller.

Dette arbejde bygger på en omfattende indsats hos CNMS, der udforsker den elektriske manipulation af mekaniske, materialers elektrokemiske og ferroelektriske egenskaber.

"Vi adopterede dette forudindtagede syn på nanoskalaen for næsten et årti siden, " sagde medvirkende forfatter Sergei Kalinin. "Nu kan vi gå fra observation til kontrol af selv sådanne sublime fænomener som friktion, og det er faktisk meget overraskende og lovende, at vi både kan øge og mindske det."