En simpel måde at beskrive friktion på - ved at gøre det kompliceret

Hvis du overhovedet gider tænke på friktion, du kan overveje at gnide dine hænder sammen for at varme dem op.

Men friktion er et stort problem ude i verden. Dele, der gnider mod hinanden, slides. Maskiner bruger måske mere energi, end de burde. Det er heller ikke trivielt:Omtrent 23 % af verdens energiforbrug skyldes friktion.

Det har forskere på jagt efter måder at finde ud af, hvordan friktion faktisk fungerer, på nanoskala niveau, så de kan designe smøremidler og andre måder at reducere det på.

Problemet er, friktion er ekstremt vanskelig at beskrive ved hjælp af en model. En af de mest udbredte matematiske modeller for friktion på nanoskala blev først foreslået i 1929, og den bliver ved med at blive brugt, fordi den er ret generel. Men når den model bruges til at se på mere detaljerede situationer, det fungerer ikke så godt.

Nu, to forskere fra det norske universitet for naturvidenskab og teknologi (NTNU) er kommet med en justering af denne model, der forbedrer dens evne til at beskrive tendenser i, hvordan friktion fungerer for lagdelte materialer som grafen på nanoskala. Deres resultater er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

En ujævn overflade af atomer

Før du kan forstå, hvad forskerne gjorde, du skal først forstå, hvordan forskere visualiserer friktion.

En overflade kan se glat ud, men under et kraftigt mikroskop, overfladen har tydeligvis ujævnheder. Så når forskere vil bruge en matematisk model til at forklare friktion, de medtager denne ujævne overflade i deres beregninger.

"Når vi siger friktion, folk tænker måske på at prøve at skubbe en kasse hen over en overflade, sagde David Andersson, en ph.d. i Institut for Mekanisk og Industriel Teknik ved NTNU, som var den første forfatter til papiret. "Men hvis du vil forstå, hvor friktionen kommer fra, det er virkelig fra kontakten mellem atomerne."

Friktion beskrives derefter som den kraft, der er nødvendig for at trække en spids hen over denne ujævne atomare overflade. Det er i bund og grund sådan, Prandtl-Tomlinson-modellen for friktion, første gang udgivet i 1929, beskriver det. Og en af ​​de vigtigste funktioner, som modellen beskriver, er noget, der sker, når denne spids trækkes hen over den ujævne overflade:den kan sætte sig fast og så pludselig glide.

Faktisk, denne form for stick and slip-adfærd mellem to overflader er endda synlig på makroskalaen - det er, hvad der sker på en geologisk skala, når to tektoniske plader bevæger sig forbi hinanden. Mennesker i seismisk aktive zoner oplever pladernes glidning som et jordskælv.

Puslespillet af todimensionelle materialer

Grafen som tilsætningsstof til smøremidler har været i brug i næsten to århundreder, men det var kun omkring et årti siden, at forskere begyndte at studere det og andre todimensionelle materialer som det i detaljer. Grafen er et kulstoflag, der kun er et atom tykt. Det kan være ret glatte ting.

Da forskere begyndte at eksperimentere med lag af grafen, og hvordan det påvirkede friktionen mellem overflader, de opdagede noget mærkeligt, Andersson og hans medforfatter og vejleder Astrid de Wijn sagde.

Forskere fandt ud af, at friktionen afhænger af antallet af lag på, hvad forskerne fandt, var en overraskende måde:den var højest for enkeltlags ark af grafen og faldt med stigende antal lag. Prandtl-Tomlinson-modellen forudsagde ikke dette.

"Hvad eksperimenter gjorde var at lægge lag af grafen og andre 2-D materialer oven på hinanden, og fandt, at friktionen falder med antallet af lag. Det ville du ikke forvente, " de Wijn, lektor ved NTNU, sagde. "Det var ejendommelig adfærd."

Andet teoretisk og eksperimentelt arbejde med grafenlag gav modstridende resultater.

Selvom det kan være frustrerende for akademikere, det er mere end blot et akademisk puslespil. Forskere og ingeniører, der ønsker at finde ud af, hvordan man designer materialer eller smøremidler for at reducere slid og friktion, har brug for modeller til at hjælpe dem med at lægge grunden til deres indsats.

Tilføjelse af kompleksitet forbedrede modellen

Andersson og de Wijn besluttede at se på en række forskellige eksperimentelle forskningsartikler, der beskrev modstridende resultater for at se, om de kunne skabe en matematisk model, der ville hjælpe med at forklare, hvad der foregik.

De indså, at de kunne forklare modstridende resultater ved at tilføje en yderligere variabel til den århundrede gamle Prandtl-Tomlinson friktionsmodel. Mens den gamle model blot så på den kraft, det tog at flytte et punkt hen over en overflade, da forskerne tilføjede en variabel, der tillod de lagdelte materialer at deformere, den var meget bedre til at forudsige friktion på nanoskala end den gamle model.

"Til sidst var der et dusin eksperimentelle artikler, som vi formåede at forklare på én gang, ved at tilføje den komponent, der tillader de lagdelte materialer at deformere, " sagde Andersson. "Vi fandt den rigtige måde at udvide modellen for at løse dette puslespil."

Praktiske applikationer til grafen

Forskerne håber, at deres model kan hjælpe andre forskere, især når det kommer til grafen.

"Der er mange mysterier om grafen, og hvordan det virker, " sagde de Wijn. Men den reviderede model giver forskere mulighed for bedre at forstå friktion i tynde plader af grafen og andre lignende materialer, hun sagde.

For eksempel, hun sagde, modellen er et første skridt i at hjælpe ingeniører med at forstå ekstreme forvrængninger og rivning af tynde plader, der kun er atomtykke, når disse lag oplever en høj belastning.

"Under virkelige forhold, sådanne ekstreme forvrængninger er almindelige og fører til brydning af kemiske bindinger, rive, have på, og tab af lavfriktionsforhold, " skrev de Wijn og Andersson i deres papir. "Dette er et første skridt og øger muligheden for bedre forståelse af slid og hurtigere, forståelsesbaseret, udvikling af praktiske anvendelser af grafen i lavfriktionsteknologier."