Wenn Sie sich jemals schwer getan haben, ein schweres Möbelstück zu verschieben, haben Sie wahrscheinlich bemerkt, dass es einfacher ist, die Möbel zu drehen, während Sie sie schieben. Forscher in Deutschland und Italien haben dasselbe Phänomen nun im Mikromaßstab untersucht und dabei die Bedingungen identifiziert, unter denen mikroskopisch kleine Objekte mit einem Minimum an Drehmoment über eine kristalline Oberfläche geschleudert werden können. Diese theoretische Erkenntnis, die das Team mit Experimenten an winzigen magnetischen Kugeln untermauerte, könnte die Entwicklung von Mikro- und Nanomaschinen für Anwendungen in Bereichen wie Robotik und Arzneimittelabgabe unterstützen.
Um ein Objekt – ob groß oder klein – zu bewegen, muss eine Kraft aufgebracht werden, um seine statische Translationsreibung mit der darunter liegenden Oberfläche zu überwinden. Dies ist ein Grundprinzip der Mechanik, aber die Beziehung zwischen Translations- und Rotationsreibung ist komplex, und es wird noch komplizierter auf winzigen Längenskalen, wo die Kontaktflächen nur wenige hundert Atome umfassen können. Bei Geräten in Nanogröße ist die Translationsreibung ein besonderes Problem, da ihre Oberflächen aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen schnell verschleißen und beim Kontakt sogar spontan zusammenkleben können.
Nachahmung der Kontaktfläche zwischen zwei atomar flachen Oberflächen
Um die Beziehung zwischen statischer Translations- und Rotationsreibung zu untersuchen, leiteten Mitglieder eines Teams von Clemens Betinger dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Universität Konstanz, Deutschland begann mit der Herstellung kristalliner Cluster aus mikrometergroßen magnetischen Kugeln. Dann brachten sie diese Kugeln in Kontakt mit einer strukturierten Oberfläche, die periodisch angeordnete Vertiefungen wie einen Eierkarton enthielt. Dieser Aufbau ahmt die Art des Kontakts nach, der zwischen zwei atomar flachen Oberflächen auftritt, erklärt Xin Cao, ein Hauptautor eines Artikels über die in veröffentlichte Forschung Körperliche Überprüfung X..
Die Forscher drehten die Cluster dann mithilfe eines rotierenden Magnetfelds und hielten etwa 10 bis 1000 kugelförmige Partikel aus jedem Cluster in Kontakt mit der Oberfläche. Das minimale Drehmoment, das erforderlich ist, um den Cluster zu drehen, entspricht der statischen Rotationsreibung, die den Forschern zufolge der statischen Translationsreibung ähnelt, die die minimale Kraft charakterisiert, die erforderlich ist, um den Cluster zu drücken.
Reibung erledigt das schwere Heben in Seilen und Garnen
Sobald die Drehung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, stellten die Forscher fest, dass die Haftreibung dramatisch abnimmt, was bei sehr großen Clustern zu einem Zustand extrem niedriger Haftreibung führt. „Ein solch reibungsarmer Zustand ermöglicht es, mikroskopisch kleine Objekte durch Aufbringen eines minimalen Drehmoments in Rotation zu versetzen und kann für die Herstellung und Funktion kleiner mechanischer Geräte – von der atomaren bis zur Mikroskala – von großer Bedeutung sein, was uns dem näher bringt kleinere und effizientere Maschinen zu realisieren“, sagt Bechinger.
Eine Überlagerung von Translation und Rotation
„Unter allen realistischen Umständen ist die Bewegung von Objekten eine Überlagerung von Translation und Rotation“, sagt er Physik-Welt. „Für viele Anwendungen ist es wichtig, den Reibungswiderstand zu kennen, der mit einer solchen Bewegung einhergeht, denn Reibung verbraucht Energie und kann sogar zum Ausfall von Geräten führen. Im Gegensatz zur Translationsreibung ist über die Rotationsreibung wenig bekannt, aber wir haben uns jetzt in unserer Studie mit letzterer befasst.“
Bisher haben sich die Forscher auf perfekt periodische Oberflächen konzentriert. „In unserer zukünftigen Arbeit werden wir Defekte einbringen, die auch unter vielen Umständen vorhanden sind“, sagt Bechinger.
