Simple metasurfaces giver kontrol over friktion ved materialegrænseflader – Physics World

Simple metasurfaces giver kontrol over friktion ved materialegrænseflader – Physics World

Tidsstempel: 18. januar 2024 kl. 7

Metasurface friktion
Friktionseksperiment: kunstnerens indtryk af metagrænsefladen mellem et stift glasstykke (øverst) og en metasflade (nederst). De teksturerede områder er, hvor glasset og metasoverfladen er i kontakt. (Med høflighed: Nazario Morgado)

En ny teknik til at finjustere friktionskræfter ved grænsefladerne mellem forskellige materialer er blevet udviklet af forskere i Frankrig. Julien Scheibert og kolleger ved University of Lyon brugte enkle og let justerbare metasurfaces til at skabe specifikke friktionskoefficienter ved grænsefladen mellem glas- og elastomerprøver.

Fra touchskærme til robothænder er friktionskontakter en nøglekomponent i mange moderne enheder. For at optimere deres ydeevne skal designere etablere stram kontrol over friktionskræfterne ved materialegrænseflader. Men på trods af århundreders omhyggelig undersøgelse, har vi stadig ikke en pålidelig metode til at forudsige friktionskoefficienten på tværs af en given grænseflade.

Den største vanskelighed med at forstå friktion er den store mangfoldighed af teksturer, der findes på overflader. Størrelsen af ​​overfladetræk kan spænde over flere størrelsesordener: fra atom- til millimeterskalaer. Da alle disse funktioner kan påvirke friktionen mellem to overflader, er det ofte utroligt svært at beregne friktionskoefficienter ud fra første principper.

I øjeblikket er der to hovedteknikker til at optimere friktionen mellem overflader. En metode er blot at vælge et par materialer, der oplever den korrekte mængde friktion. Det er dog ofte sådan, at disse materialer ikke har de andre egenskaber – termiske, elektriske osv. – som kræves til en specifik anvendelse.

Dårlig forståelse

"Den anden teknik er at skabe kunstige mikroteksturer på overfladerne," forklarer Scheibert. "Men fordi forholdet mellem tekstur og friktion forbliver dårligt forstået, identificeres egnede teksturer normalt først efter lange og dyre eksperimentelle kampagner."

I deres undersøgelse forbedrede Scheiberts team den mikroteksturelle tilgang ved at bruge meget simple metasurfaces, der omfatter firkantede arrays af sfæriske hætter. Hver kasket kan gives en bestemt højde i forhold til de andre kasketter (se figur).

"Under disse forhold kan grænsefladens [friktions] respons modelleres nøjagtigt, og listen over højder, der tilbyder den målrettede friktionsadfærd, kan bestemmes, før overfladerne faktisk fremstilles," forklarer Scheibert. På denne måde kunne holdet konstruere forskellige teksturer for at opnå det ønskede niveau af grænsefladefriktion i første forsøg.

Forskerne testede deres tilgang ved at forberede metaoverflader på centimeterstore prøver af en gummilignende elastomer. Hver overflade havde et gitter af 64 sfæriske hætter lavet af elastomer. Højden, hvor hver kasket rager ud fra overfladen, er indstillet individuelt, hvilket gør det muligt for holdet at skabe en række forskellige metaoverflader.

Friktion måles ved at placere et fladt stykke glas oven på metasfladen og skubbe ned, mens glasset trækkes langs metasfladen. Ved at justere strukturen af ​​metasfladerne på en systematisk måde, kunne der skabes specifikke friktionskoefficienter ved grænsefladen.

To forskellige friktionskoefficienter

Fremgangsmåden fungerede uden behov for første-princip-beregninger af friktionskræfter og uden at ændre nogen egenskaber af selve materialerne. "Endnu mere har vi forberedt kontakter med to forskellige friktionskoefficienter, som afhænger af kompressionsniveauet på grænsefladen - en adfærd, der er meget sjælden i naturen," tilføjer Scheibert.

Med denne hurtige og overkommelige tilgang var Scheiberts team i stand til at reproducere en række kendte friktionslove i deres eksperimenter: herunder lineære love, hvor koefficientfriktionen forbliver konstant, når forskydningskræfterne øges på tværs af grænsefladen; og mere komplekse ikke-lineære love, hvor denne koefficient varierer med forskydningskraften.

Efterhånden som de forbedrer deres teknik yderligere, forestiller forskerne sig en bred vifte af applikationer til deres justerbare metasurface-tilgang. "At skabe kontaktgrænseflader, der matcher en specificeret friktionsadfærd, er den hellige gral i tribologi," siger Scheibert.

"Vores designstrategi giver nye værktøjer til at forberede sådanne friktionsgrænseflader. Dette kan potentielt åbne op for muligheder inden for forskellige udfordrende områder, fra sport til blød robotteknologi. Hvis yderligere udstyret med sensorer og aktuatorer, holder vores metainterfaces endda løftet om smarte kontaktgrænseflader med friktionsjustering i realtid."

Forskningen er beskrevet i Videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden