Friktion på mikroskala afhænger uventet af glidehastigheden

Friktion på mikroskala afhænger uventet af glidehastigheden

Tidsstempel: 2. februar 2023 kl. 6:07

Illustration, der repræsenterer friktionen mellem spidsen af ​​et atomkraftmikroskop og grafen
Hastighedsafhængig friktion. (Med høflighed: Institut for Fysik, University of Basel og Scixel)

Friktion på atomær skala ser ud til at afhænge af den hastighed, hvormed to overflader bevæger sig forbi hinanden. Denne overraskende adfærd blev observeret, da spidsen af ​​et atomkraftmikroskop (AFM) bevæger sig langs en grafenbelægning, og forskere ved universiteterne i Basel i Schweiz og Tel Aviv i Israel siger, at den skyldes overfladekorrugering forårsaget af et misforhold i grafens gitterstruktur . Fundet, sammen med observationer af, at friktionskraften skaleres forskelligt i forskellige hastighedsregimer, kunne have anvendelser i enheder som harddiske og bevægelige komponenter i satellitter eller rumteleskoper, der kræver ultralav friktion.

I dagligdags, makroskopiske objekter er friktionen enten uafhængig af glidehastigheden (ifølge Coulombs lov) eller lineært afhængig af den (for eksempel i viskøse medier). På den atomare skala er tingene imidlertid anderledes. I det nye arbejde ledede et team Ernst Meyer fra schweiziske nanovidenskabsinstitut og Institut for Fysik ved Basel Universitet målt den hastighed, hvormed et atomkraftmikroskop (AFM) bevæger sig hen over et lag af grafen (en 2D-form af kulstofatomer arrangeret i en honeycomb-lignende konfiguration) oven på et platinsubstrat.

Moiré supergitter

I deres eksperiment, som de rapporterer i Nano Letters, Meyer og kolleger fandt ud af, at grafen danner overbygninger kendt som moiré-supergitter. Disse strukturer er ikke længere helt flade, og friktionen de frembringer skalerer på forskellige måder afhængigt af hastighedsregimet.

Ifølge atomistiske molekylær dynamiske simuleringer ved Oded Hod , Michael Urbakh's forskergrupper i Tel Aviv, kommer mekanismen bag effekten fra deformation ved kammene af moiré-supergitteret, når spidsen af ​​AFM bevæger sig langs grafen/platin-grænsefladen. Spidsen fremkalder elastisk deformation, når den skubber på højderyggen, efterfulgt af rygafspænding, når den løsnes fra spidsen, når den glider fremad.

Ved lave AFM-scanningshastigheder er friktionskraften lille og forbliver konstant (minder om makroskopisk adfærd), forklarer Hod. Over en vis tærskelhastighed stiger den dog logaritmisk. "Denne tærskel er lavere, jo større størrelsen af ​​moiré-overbygningen er, hvilket gør det muligt at tune overkrydsningsværdien via grænsefladevridningsvinklen," siger Hod.

"En klar besked til praktiske anvendelser"

"Vores resultater giver et klart budskab til praktiske anvendelser," tilføjer Urbakh. "For at opnå ultralav friktion ved hjælp af todimensionelle materialebelægninger, bør de forberedes på en måde, der producerer småskala moiré-mønstre."

Forskerne siger, at den mekanisme, de observerede, også kan være relevant for polykrystallinske materialer, hvor korngrænser er til stede. De planlægger at studere disse mere detaljeret i det fremtidige arbejde. "I dette tilfælde er friktionsenergidissipation domineret af bidraget fra korngrænserne," fortæller Hod Fysik verden. "Vi har til hensigt at finde måder at eliminere korngrænsefriktion på, for eksempel ved at udforske unikke negative friktionskoefficientregimer, hvor friktionen reduceres med ydre normale belastninger, i modsætning til almindelig fysisk intuition."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden