Forskere går meget op i at udvide superlav friktion

(Phys.org)—Når stykker af grafit i nanostørrelse glider mod hinanden, der kan stort set ikke være nogen friktion mellem dem. I mange år, superlav friktion, eller "superlubricitet, " var kendt for kun at eksistere på nanoskala. Så i 2012, videnskabsmænd demonstrerede først supersmøreevne ud over nanoskalaen, da de opdagede fænomenet i mikrometerstørrelse grafit. Med udgangspunkt i denne og relateret forskning, forskere i en ny undersøgelse har nu teoretisk vist, at superlav friktion kan strække sig til længder på titusinder af centimeter.

I den nye undersøgelse offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve , forskere Ming Ma, et al., har teoretisk undersøgt den maksimale længde af en kæde af partikler, der udviser supersmøreevne. Deres model viser, at denne kritiske længde afhænger af de eksperimentelle parametre og materialets egenskaber, især dens stivhed. Til meget stive materialer, såsom kulstof nanorør, forskerne fandt ud af, at supersmøring kan holde i op til snesevis af centimeter, hvorefter det brat forsvinder.

"Disse resultater indikerer en vej til at opnå superlav friktion på makroskalaen, og kan potentielt hjælpe med det rationelle design af supersmørematerialer til nanomekaniske applikationer, "Michael Urbakh, en professor ved Tel Aviv University og en af ​​undersøgelsens hovedforfattere, fortalte Phys.org .

Som forskerne forklarer, superlav friktion er afhængig af et særligt arrangement af atomer på et materiales overflade. I grafit, for eksempel, overfladeatomerne har et ujævn sekskantet arrangement som æggekartoner/-kasser. I visse retninger, to overflader af grafit kan gribe ind på en sådan måde, at "bumpene" uden besvær kan glide forbi hinanden, og friktionen falder til næsten nul.

I modsætning, når de samme stykker grafit drejes lidt i forhold til hinanden, deres overfladeatomer kan ikke længere let glide, og materialerne udviser de velkendte virkninger af friktion.

Denne form for ændring i geometrisk konfiguration kan forklare den bratte overgang mellem det friktionsfrie og friktionsregimet i forskernes modeller. Et kortere nanorør, eller kæde, udviser supersmøreevne, fordi dets partikler ikke matcher hinanden, eller uforholdsmæssigt, med de underliggende substratatomer. Da atomerne undgår at gribe ind i hinanden, kæden glider let på overfladen. Men for en længere kæde, en mekanisk ustabilitet udløser gittertilpasning ved kædens forkant. Som resultat, partiklerne bliver i registeret, eller tilsvarende, med atomerne i substratgitteret, og friktionen øges pludselig.

Forskernes simuleringer afslørede også, at den kritiske kædelængde danner en skarp grænse mellem to faser baseret på interpartikelafstand:afstanden mellem partikler er mindre i den kortere kæde end i den længere kæde. På præcis den kritiske længde, der sker et brat spring i denne afstand, sammen med det bratte spring i friktion.

Ved bedre at forstå supersmøreevnen og dens grænser, forskerne håber at kunne udvide effekten til så stor en skala som muligt. Supersmøring kan vise sig at være meget nyttigt til at designe systemer i nanoskala med lavt slid, og det kunne være endnu mere nyttigt, hvis det kunne udvides til større skalaer.

"Udfordringen her er at skalere størrelsen af ​​de glidende objekter op uden at miste den perfekte ægge-boksgeometri, der er nødvendig for supersmøring, " sagde medforfatter Andrea Vanossi ved CNR-IOM Democritos National Simulation Center og International School for Advanced Studies (SISSA), både i Trieste, Italien. "Normalt, efterhånden som objekternes størrelse vokser, defekter og ufuldkommenheder spiller ind. Først for nylig, takket være de imponerende fremskridt inden for synteseteknikker, har det været muligt at producere fejlfrit, atomisk perfekte aflange nanostrukturer såsom kulstof nanorør, grafen nanobånd, og konjugerede polymerer. Når det er muligt at have to i stor skala, geometrisk perfekte overflader gnider mod hinanden uden friktion, og at påføre dette materiale som en belægning på kuglelejer og bevægelige maskindele, der vil være store besparelser forude på energiområdet, ressourceforbrug, og vedligeholdelse."

Forskerne arbejder i øjeblikket på at udvide deres tilgang til at forstå mekanismer, der begrænser superlav friktion mellem 3D-materialer.

© 2015 Phys.org