Ved at justere friktionen til det punkt, hvor den forsvinder, teknik kunne sætte skub i udviklingen af ​​nanomaskiner

Friktion er overalt omkring os, arbejder mod bevægelse af dæk på fortovet, en kuglepen hen over papiret, og endda strømmen af ​​proteiner gennem blodbanen. Når to overflader kommer i kontakt, der er friktion, undtagen i meget specielle tilfælde, hvor friktionen i det væsentlige forsvinder - et fænomen, kendt som "superlubricitet, ", hvor overflader simpelthen glider over hinanden uden modstand.

Nu har fysikere ved MIT udviklet en eksperimentel teknik til at simulere friktion på nanoskala. Ved at bruge deres teknik, forskerne er i stand til direkte at observere individuelle atomer ved grænsefladen mellem to overflader og manipulere deres arrangement, justering af mængden af ​​friktion mellem overfladerne. Ved at ændre afstanden mellem atomer på en overflade, de observerede et punkt, hvor friktionen forsvinder.

Vladan Vuletic, Lester Wolfe professor i fysik ved MIT, siger, at evnen til at justere friktionen ville være nyttig i udviklingen af ​​nanomaskiner - små robotter bygget af komponenter på størrelse med enkelte molekyler. Vuletic siger, at på nanoskala, friktion kan kræve en større kraft - f.eks. skabe slitage på små motorer meget hurtigere, end det sker i større skalaer.

"Der er en stor indsats for at forstå friktion og kontrollere den, fordi det er en af ​​de begrænsende faktorer for nanomaskiner, men der har været relativt få fremskridt med faktisk at kontrollere friktion i enhver skala, " siger Vuletic. "Hvad der er nyt i vores system er, for første gang på atomær skala, vi kan se denne overgang fra friktion til supersmøreevne."

Vuletisk, sammen med kandidatstuderende Alexei Bylinskii og Dorian Gangloff, offentliggøre deres resultater i dag i tidsskriftet Videnskab .

Friktions- og kraftfelter

Holdet simulerede friktion på nanoskala ved først at konstruere to overflader, der skal placeres i kontakt:et optisk gitter, og en ionkrystal.

Det optiske gitter blev genereret ved hjælp af to laserstråler, der bevægede sig i modsatte retninger, hvis felter tilsammen danner et sinusformet periodisk mønster i én dimension. Dette såkaldte optiske gitter ligner en æggekarton, hvor hver top repræsenterer et maksimalt elektrisk potentiale, mens hvert trug repræsenterer et minimum. Når atomer bevæger sig over et sådant elektrisk felt, de drages til steder med minimalt potentiale – i dette tilfælde, trugene.

Vuletic konstruerede derefter en anden overflade:en ionkrystal - i det væsentlige, et gitter af ladede atomer - for at studere friktionens virkninger, atom for atom. For at generere ionkrystallen, gruppen brugte lys til at ionisere, eller opladning, neutrale ytterbium-atomer, der kommer ud af en lille opvarmet ovn, og derefter kølet dem ned med mere laserlys til lige over det absolutte nulpunkt. De ladede atomer kan derefter fanges ved hjælp af spændinger påført nærliggende metalliske overflader. Når først er positivt ladet, hvert atom frastøder hinanden via den såkaldte "Coulomb-kraft". Frastødningen holder effektivt atomerne fra hinanden, så de danner en krystal- eller gitterlignende overflade.

Holdet brugte derefter de samme kræfter, som bruges til at fange atomerne til at skubbe og trække ionkrystallen hen over gitteret, samt at strække og klemme ionkrystallen, meget som en harmonika, ændre afstanden mellem dets atomer.

Et jordskælv og en larve

Generelt, forskerne fandt ud af, at når atomer i ionkrystallen var med jævne mellemrum, med intervaller, der matcher afstanden mellem det optiske gitter, de to overflader oplevede maksimal friktion, meget som to komplementære legoklodser. Holdet observerede, at når atomer er fordelt således, at hver optager et trug i det optiske gitter, når ionkrystallen som helhed trækkes hen over det optiske gitter, atomerne har først en tendens til at sætte sig fast i gitterets trug, bundet der af deres præference for det lavere elektriske potentiale, samt af Coulomb-kræfterne, der holder atomerne fra hinanden. Hvis der påføres tilstrækkelig kraft, ionkrystallen glider pludselig, da atomerne tilsammen springer til næste lavpunkt.

"Det er som et jordskælv, " siger Vuletic. "Der er ved at bygge sig op, og så er der pludselig en katastrofal frigivelse af energi. "

Gruppen fortsatte med at strække og klemme ionkrystallen for at manipulere arrangementet af atomer, og opdagede, at hvis atomafstanden ikke stemmer overens med det optiske gitter, friktionen mellem de to overflader forsvinder. I dette tilfælde, krystallen har en tendens til ikke at klæbe og så pludselig glide, men at bevæge sig flydende hen over det optiske gitter, meget som en larve, der bevæger sig hen over jorden.

For eksempel, i arrangementer, hvor nogle atomer er i lavpunkter, mens andre er på toppen, og atter andre er et sted midt imellem, når ionkrystallen trækkes hen over det optiske gitter, et atom kan glide lidt ned ad en top, frigiver lidt stress, og gør det lettere for et andet atom at kravle ud af et trug – hvilket igen trækker et tredje atom med, og så videre.

"Det, vi kan gøre, er at justere afstanden mellem atomerne til enten at blive matchet med det optiske gitter for maksimal friktion, eller uoverensstemmende uden friktion, " siger Vuletic.

Gangloff tilføjer, at gruppens teknik kan være nyttig ikke kun til at realisere nanomaskiner, men også til at kontrollere proteiner, molekyler, og andre biologiske komponenter.

"På det biologiske område, der er forskellige molekyler og atomer i kontakt med hinanden, glider af sted som biomolekylære motorer, som følge af friktion eller mangel på friktion, " siger Gangloff. "Så denne intuition for, hvordan man arrangerer atomer for at minimere eller maksimere friktion, kunne anvendes."