إذا واجهت صعوبة في نقل قطعة أثاث ثقيلة ، فربما تكون قد لاحظت أن تدوير الأثاث أثناء دفعه يجعل الأمور أسهل. قام الباحثون في ألمانيا وإيطاليا الآن بالتحقيق في هذه الظاهرة نفسها على النطاق المجهري ، وفي هذه العملية ، حددوا الظروف التي يجب أن تسمح للأجسام المجهرية بالدوران عبر سطح بلوري بحد أدنى من عزم الدوران. هذا الاكتشاف النظري ، الذي دعمه الفريق بتجارب على المجالات المغناطيسية الدقيقة ، يمكن أن يساعد في تطوير آلات دقيقة ومتناهية الصغر لتطبيقات في مجالات مثل الروبوتات وتوصيل الأدوية.
لتحريك جسم - سواء كان كبيرًا أو صغيرًا - يجب على المرء أن يستخدم قوة للتغلب على احتكاكه الانتقالي الثابت مع السطح تحته. هذا هو المبدأ الأساسي للميكانيكا ، ومع ذلك فإن العلاقة بين الاحتكاك الانتقالي والاحتكاك الدوراني معقدة ، وتصبح أكثر من ذلك على مقاييس الطول الصغيرة حيث يمكن أن تشتمل الأسطح الملامسة على بضع مئات من الذرات. في الأجهزة النانوية ، يمثل الاحتكاك الانتقالي مشكلة خاصة لأن نسب مساحة السطح إلى الحجم العالية تعني أن أسطحها تتآكل بسرعة وقد تلتصق ببعضها البعض تلقائيًا عند ملامستها.
تقليد منطقة التلامس بين سطحين مستويين ذريًا
لدراسة العلاقة بين الاحتكاك الانتقالي الثابت والاحتكاك الدوراني ، يقود أعضاء الفريق كليمنس بيشينغر ل جامعة كونستانس ، ألمانيا بدأ من خلال صنع مجموعات بلورية من المجالات المغناطيسية بحجم ميكرون. ثم قاموا بعد ذلك بتوصيل هذه الكرات بسطح هيكلي يحتوي على آبار متباعدة بشكل دوري مثل كرتونة البيض. يحاكي هذا الإعداد نوع الاتصال الذي يحدث بين سطحين مستويين ذريًا ، كما يوضح شين كاو ، المؤلف الرئيسي لورقة بحثية نُشرت في مراجعة البدنية X.
قام الباحثون بعد ذلك بتدوير المجموعات باستخدام مجال مغناطيسي دوار ، مع الاحتفاظ بحوالي 10 إلى 1000 جسيم كروي من كل مجموعة على اتصال مع السطح. يتوافق الحد الأدنى من عزم الدوران المطلوب لجعل الكتلة تدور مع الاحتكاك الدوراني الساكن ، والذي أوضح الباحثون أنه مشابه للاحتكاك الانتقالي الساكن الذي يميز الحد الأدنى من القوة المطلوبة لدفع الكتلة.
يقوم الاحتكاك برفع الأحمال الثقيلة في الحبال والغزول
بمجرد أن يتجاوز الدوران عتبة معينة ، وجد الباحثون أن الاحتكاك الساكن يتناقص بشكل كبير ، مما ينتج حالة من الاحتكاك الساكن للغاية للعناقيد الكبيرة جدًا. "تسمح حالة الاحتكاك المنخفض هذه بضبط الأجسام المجهرية في الدوران من خلال تطبيق حد أدنى من عزم الدوران ويمكن أن تكون ذات صلة كبيرة بتصنيع وتشغيل الأجهزة الميكانيكية الصغيرة - من النطاق الذري إلى المقياس الدقيق - مما يجعلنا أقرب إلى تحقيق آلات أصغر وأكثر كفاءة ، "يقول Bechinger.
تراكب الترجمة والتناوب
يقول: "تحت أي ظروف واقعية ، تكون حركة الأشياء تراكبًا للترجمة والدوران" عالم الفيزياء. "بالنسبة للعديد من التطبيقات ، من المهم معرفة مقاومة الاحتكاك المصحوبة بمثل هذه الحركة لأن الاحتكاك يستهلك طاقة وقد يؤدي حتى إلى تعطل الأجهزة. على عكس الاحتكاك الترجمي ، لا يُعرف الكثير عن الاحتكاك الدوراني ، لكننا تناولنا هذا الأخير في دراستنا ".
حتى الآن ، ركز الباحثون على الأسطح الدورية تمامًا. يقول Bechinger: "في عملنا المستقبلي ، سنقوم بإدخال العيوب الموجودة أيضًا في ظل العديد من الظروف".
