Forskere justerer atomfriktionseksperiment

At arbejde sammen om at studere friktion på atomskalaen, forskere ved UC Merced og University of Pennsylvania har udført de første atomare eksperimenter og simuleringer af friktion ved overlappende hastigheder.

I "Dynamics of Atomic Stick-Slip Friction Examined with Atomic Force Microscopy and Atomistic Simulations at overlapping speeds, " Åbner et nyt vindue. et papir udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , UC Merced Engineering Professor Ashlie Martini, kandidatstuderende Zhijiang Ye og deres partnere på Penn afslører, hvordan de overvandt de teknologiske begrænsninger ved at studere friktion i så lille skala. De håber, at deres arbejde i sidste ende vil føre til større indsigt i, hvordan man kontrollerer friktion og slid på maskiner.

Holdet fremskyndede et ægte atomkraftmikroskop og bremsede en simulering af en, tilføjelse til en mængde viden om et fænomen kaldet "stick-slip friktion, " som ofte påvirker glidning på både makro- og atomskalaen.

Martini og Ye arbejdede med Penn maskinteknik og anvendt mekanik professor Robert Carpick og flere andre kandidatstuderende. Det er et samarbejde, der er dyrket gennem mange år.

"Vi er på vores tredje National Science Foundation (NSF) bevilling sammen, " sagde Martini. "Vores modeller forklarer eksperimenterne, og eksperimenterne hjælper med at verificere modellerne."

Stick-slip-friktion - modstanden forbundet med glidning - er et produkt af atomare kontaktpunkter mellem to objekter, der midlertidigt klæber sammen. Sådan forbliver de, indtil påført kraft giver tilstrækkelig elastisk energi til, at de kan bryde fra hinanden. Punkterne glider derefter og glider, indtil de sætter sig fast igen.

Men at studere de atomare interaktioner, der ligger til grund for stick-slip-friktion, er i sagens natur svært, da berøringspunkterne er sløret af, at de flugter mod hinanden.

For at komme uden om dette problem, friktionsforskere bruger ofte spidsen af ​​et atomkraftmikroskop (AFM), et ultra-følsomt instrument, der er i stand til at måle nanonewton-kræfter, som ét kontaktpunkt. Fordi en AFM-spids fungerer meget som en pladenål, forskere kan måle den friktion, spidsen oplever, mens den trækkes hen over en overflade. Martini og Ye's modeller forudsiger dynamikken af ​​alle de individuelle atomer i den spids.

Kvaliteten af ​​målingerne i et AFM-eksperiment afhænger af at forhindre omstrejfende vibrationer i spidsen. Som regel, forskere trækker spidsen omkring 1 mikrometer i sekundet - hurtigst. For at matche dette eksperiment i en simulering, individuelle atomer i spidsen og overfladen er modelleret på en computer.

Men at udføre målingerne på denne måde har sine problemer:Hvert billede i en simulering skal beregnes i så små trin, at en computer ville bruge omkring 30 år for at simulere det rigtige AFM-eksperiment mikrometer-per-sekund hastighed.

For at overvinde denne begrænsning, typisk, de simulerede spidser glider en million gange hurtigere end i eksperimenter, så forskerne skulle mødes på midten. Martini og Ye fandt en måde at bremse deres modeltips på, mens Penn-forskerne fremskyndede deres rigtige.

"Denne undersøgelse åbner nu op for mange muligheder for at bruge den fulde atomare indsigt, der er tilgængelig i atomistiske simuleringer til pålideligt at fortolke resultaterne af eksperimentelle undersøgelser, " sagde Carpick. "Vi er optimistiske, at dette i sidste ende vil føre til generel og praktisk indsigt at forstå, kontrollere og reducere friktion og slid."

Ud over resultaterne af selve forskningen, Martini sagde, at samarbejdet gavner UC Merced-kandidatstuderende. De tager til Penn et par uger hvert år og arbejder direkte med deres partnerforskere, som hjælper dem med at forberede sig til livet efter gymnasiet.

"Gard school kan være ret isoleret, " sagde Martini. "Dette hjælper med at forberede eleverne til den virkelige verden, hvor teamwork er almindeligt."