Flytning af møbler i mikroverdenen

Når du flytter møbler, er tunge genstande nemmere at flytte, hvis du drejer dem, mens du skubber. Mange mennesker gør dette intuitivt. Et internationalt forskerhold fra Konstanz (Tyskland), Trieste og Milano (Italien) har nu på mikroskopisk skala undersøgt reduktionen i statisk friktion forårsaget af samtidig rotation.

I deres nylige undersøgelse, der vil blive offentliggjort i Physical Review X den 15. juni fandt forskerne ud af, at reduktionen i statisk friktion af et mikroskopisk objekt på en krystallinsk overflade kan beskrives ved moiré-mønstre, som opstår, når periodiske mønstre overlejres. Baseret på dette koncept forudsiger forskerne en usædvanlig tilstand, hvor mikroskopiske objekter kan sættes i rotation ved at anvende et minimalt drejningsmoment. I fremtiden kan dette muliggøre konstruktion af mikromaskiner med ultralav statisk friktion mod rotation.

Sæt objekter i bevægelse

For at sætte et objekt i bevægelse, skal man skubbe det for at overvinde dets statiske friktion med den underliggende overflade. Dette gælder, selvom de rørende overflader er meget glatte. Daglig erfaring lærer os, at statisk friktion er meget mindre, når objektet ikke kun skubbes, men samtidig roteres. Selvom anerkendte forskere, såsom Leonardo da Vinci, allerede har studeret friktionsfænomener for mere end 500 år siden, er forholdet mellem statiske friktionskræfter og drejningsmomenter stadig ikke fuldt ud forstået. Dette er ret bemærkelsesværdigt, i betragtning af at rotationsfriktion stammer fra den samme interaktion mellem et objekt og den underliggende overflade som den veludforskede translationelle friktion.

Det komplekse forhold mellem statisk translationel og rotationsfriktion bliver endnu mere spændende på den mikroskopiske skala, hvor flade kontakter kun involverer et par hundrede til nogle få tusinde atomer. "For eksempel forekommer sådanne mikrokontakter i bittesmå mekaniske enheder - kendt som mikro-elektromekaniske systemer (MEMS) - hvis adfærd er domineret af friktionseffekter," siger professor Clemens Bechinger, leder af forskerholdet og professor i eksperimentel fysik ved University of Konstanz, der giver et eksempel på, hvor friktionseffekter spiller en vigtig rolle på den mikroskopiske skala. Rotationsfriktion og dens samspil med translationel friktion for så små kontakter er forblevet ret uudforsket, fordi det teknisk set er meget udfordrende at anvende velkontrollerede drejningsmomenter på roterende objekter i mikroskala.

Moiré-mønstre er nøglen

I deres nylige undersøgelse - der kombinerer eksperimentelle og teoretiske tilgange - har forskerne fra Konstanz, Trieste og Milano overvundet denne udfordring og undersøgt rotationsfriktion og dens samspil med translationel friktion for mikroskopiske kontakter. "Til vores eksperimenter skabte vi krystallinske klynger lavet af magnetiske kugler i mikronstørrelse og bragte dem i kontakt med en struktureret overflade med regelmæssigt gentagne brønde," Dr. Xin Cao, en af ​​hovedforfatterne af undersøgelsen og Humboldt Fellow i arbejdet. gruppe af Clemens Bechinger, beskriver eksperimenternes udgangspunkt. Han fortsætter:"Denne indstilling efterligner kontaktområdet mellem to atomisk flade overflader."

De todimensionelle klynger - med kontakter til overfladen bestående af 10 til 1000 sfæriske partikler - blev derefter sat i rotationsbevægelse ved hjælp af et meget kontrollerbart roterende magnetfelt. Det mindste drejningsmoment, der kræves for at få den respektive klynge til at rotere, svarer til den statiske rotationsfriktion, svarende til den statiske translationsfriktion, som karakteriserer den minimale kraft, der kræves for at opnå en translationsbevægelse af klyngen.

I deres undersøgelse fandt forskerne ud af, at samspillet mellem rotations- og translationel friktion kan forstås gennem egenskaberne af det, der er kendt som moiré-mønstre. Disse mønstre opstår, når to eller flere periodiske strukturer overlejres. "Optiske moiré-mønstre kan for eksempel observeres, når et finmasket gardin rynker og individuelle lag af gardinet overlapper," forklarer Dr. Andrea Silva, anden hovedforfatter af undersøgelsen og fysiker ved International School for Advanced Studies (SISSA) ) i Trieste. "De resulterende mønstre er ekstremt følsomme over for små relative bevægelser og udviser geometriske strukturer på højere niveau, som ikke er til stede i selve de overlappende strukturer."

Fordelen ved samtidig rotation

For at vende tilbage til eksperimenterne, beskriver Andrea Silva:"Kontakten mellem partikelhoben og den underliggende overflade i områder, hvor periodiciteterne i strukturen af ​​begge objekter matcher, kan sammenlignes med æg i en æggekarton." Uden at påføre eksterne kræfter eller drejningsmomenter er dette område med strukturelt overlap på et max, hvilket betyder, at et stort antal partikler i klyngen er tæt på bunden af ​​brøndene på den mønstrede overflade, hvilket resulterer i høj statisk friktion.

Når en kraft påføres klyngen for at skubbe den i en bestemt retning, flyttes området med strukturelt overlap til kanten af ​​kontaktområdet. Som et resultat bliver det mindre. Imidlertid forbliver et stort antal partikler "fast" i substratets brønde, så der kræves en forholdsvis stor kraft for at overvinde klyngens modstand mod bevægelse og afgrænse den fra substratet. Hvis klyngen derimod vrides med et drejningsmoment, krymper overlapningsområdet symmetrisk. "Dette gør det meget lettere at skubbe klyngen og sætte den i bevægelse, da området med strukturelt overlap allerede er blevet væsentligt reduceret af det påførte drejningsmoment," siger Xin Cao og forklarer, hvordan samtidig skub og rotation reducerer statisk friktion.

Baseret på egenskaberne af de observerede moiré-mønstre var fysikerne ikke kun i stand til at forklare, hvorfor yderligere rotation letter translationen af ​​mikroskopiske objekter, men også at komme med forudsigelser om afhængigheden af ​​den statiske friktion mod rotationer på klyngestørrelsen:Når sidstnævnte overstiger en vis tærskel, falder den statiske friktion mod rotationer kraftigt, hvilket resulterer i en tilstand af ultra-lav statisk friktion for meget store klynger. "En sådan lavfriktionstilstand kan være yderst relevant for fremstilling og funktion af små mekaniske enheder - fra atomare til mikroskala - og bringe os tættere på at realisere mindre og mere effektive maskiner," slutter Clemens Bechinger. + Udforsk yderligere

Grænserne for friktion