Οι απλές μεταεπιφάνειες προσφέρουν έλεγχο της τριβής στις διεπαφές υλικών – Physics World

Μια νέα τεχνική για τη μικρορύθμιση των δυνάμεων τριβής στις διεπαφές μεταξύ διαφορετικών υλικών αναπτύχθηκε από ερευνητές στη Γαλλία. Julien Scheibert και συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο της Λυών χρησιμοποίησαν απλές και εύκολα ρυθμιζόμενες μεταεπιφάνειες για να δημιουργήσουν συγκεκριμένους συντελεστές τριβής στη διεπαφή μεταξύ δειγμάτων γυαλιού και ελαστομερούς.

Από τις οθόνες αφής μέχρι τα ρομποτικά χέρια, οι επαφές τριβής αποτελούν βασικό συστατικό πολλών σύγχρονων συσκευών. Για να βελτιστοποιήσουν την απόδοσή τους, οι σχεδιαστές πρέπει να καθιερώσουν αυστηρό έλεγχο στις δυνάμεις τριβής στις διεπαφές υλικών. Ωστόσο, παρά τους αιώνες προσεκτικής έρευνας, δεν έχουμε ακόμα μια αξιόπιστη μέθοδο για την πρόβλεψη του συντελεστή τριβής σε οποιαδήποτε δεδομένη διεπαφή.

Η κύρια δυσκολία στην κατανόηση της τριβής είναι η μεγάλη ποικιλία των υφών που συναντώνται στις επιφάνειες. Το μέγεθος των επιφανειακών χαρακτηριστικών μπορεί να εκτείνεται σε πολλές τάξεις μεγέθους: από ατομικές έως χιλιοστομετρικές κλίμακες. Δεδομένου ότι όλα αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να επηρεάσουν την τριβή μεταξύ δύο επιφανειών, είναι συχνά απίστευτα δύσκολο να υπολογιστούν οι συντελεστές τριβής από τις πρώτες αρχές.

Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο κύριες τεχνικές για τη βελτιστοποίηση της τριβής μεταξύ των επιφανειών. Μια μέθοδος είναι απλά να επιλέξετε ένα ζευγάρι υλικών που αντιμετωπίζουν τη σωστή ποσότητα τριβής. Ωστόσο, συμβαίνει συχνά αυτά τα υλικά να μην έχουν τις άλλες ιδιότητες – θερμικές, ηλεκτρικές κ.λπ. – που απαιτούνται για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.

Κακή κατανόηση

«Η δεύτερη τεχνική είναι η δημιουργία τεχνητών μικρουφών στις επιφάνειες», εξηγεί ο Scheibert. "Όμως, επειδή η σχέση μεταξύ υφής και τριβής παραμένει ελάχιστα κατανοητή, οι κατάλληλες υφές εντοπίζονται συνήθως μόνο μετά από μακρές και δαπανηρές πειραματικές καμπάνιες."

Στη μελέτη τους, η ομάδα του Scheibert βελτίωσε την προσέγγιση της μικρουφής χρησιμοποιώντας πολύ απλές μεταεπιφάνειες που περιλαμβάνουν τετράγωνες σειρές σφαιρικών πωμάτων. Σε κάθε καπάκι μπορεί να δοθεί ένα συγκεκριμένο ύψος σε σχέση με τα άλλα καπάκια (βλ. εικόνα).

«Σε αυτές τις συνθήκες, η απόκριση [τριβής] της διεπαφής μπορεί να μοντελοποιηθεί με ακρίβεια και η λίστα των υψών που προσφέρει τη στοχευμένη συμπεριφορά τριβής μπορεί να προσδιοριστεί πριν από την πραγματική κατασκευή των επιφανειών», εξηγεί ο Scheibert. Με αυτόν τον τρόπο, η ομάδα θα μπορούσε να σχεδιάσει διαφορετικές υφές για να επιτύχει το επιθυμητό επίπεδο τριβής διεπαφής με την πρώτη προσπάθεια.

Οι ερευνητές δοκίμασαν την προσέγγισή τους προετοιμάζοντας μεταεπιφάνειες σε δείγματα μεγέθους εκατοστών ενός ελαστομερούς που μοιάζει με καουτσούκ. Κάθε επιφάνεια διέθετε ένα πλέγμα 64 σφαιρικών καλυμμάτων από ελαστομερές. Το ύψος στο οποίο κάθε καπάκι προεξέχει από την επιφάνεια ρυθμίζεται ξεχωριστά, επιτρέποντας στην ομάδα να δημιουργήσει μια σειρά από διαφορετικές μεταεπιφάνειες.

Η τριβή μετριέται τοποθετώντας ένα επίπεδο κομμάτι γυαλιού στην κορυφή της μετα-επιφάνειας και πιέζοντας προς τα κάτω ενώ σύρετε το γυαλί κατά μήκος της μετα-επιφάνειας. Ρυθμίζοντας τη δομή των μεταεπιφανειών με συστηματικό τρόπο, θα μπορούσαν να δημιουργηθούν συγκεκριμένοι συντελεστές τριβής στη διεπαφή.

Δύο διαφορετικοί συντελεστές τριβής

Η προσέγγιση λειτούργησε χωρίς καμία ανάγκη για υπολογισμούς των πρώτων αρχών των δυνάμεων τριβής, και χωρίς αλλαγή ιδιοτήτων των ίδιων των υλικών. «Ακόμα περισσότερο, έχουμε προετοιμάσει επαφές που διαθέτουν δύο διαφορετικούς συντελεστές τριβής, οι οποίοι εξαρτώνται από το επίπεδο συμπίεσης που εφαρμόζεται στη διεπαφή – μια συμπεριφορά που είναι πολύ σπάνια στη φύση», προσθέτει ο Scheibert.

Η τριβή κάνει τη βαριά ανύψωση σε σχοινιά και νήματα

Με αυτή τη γρήγορη και οικονομικά προσιτή προσέγγιση, η ομάδα του Scheibert μπόρεσε να αναπαράγει μια ποικιλία γνωστών νόμων τριβής στα πειράματά της: συμπεριλαμβανομένων των γραμμικών νόμων, όπου ο συντελεστής τριβής παραμένει σταθερός καθώς οι δυνάμεις διάτμησης αυξάνονται κατά μήκος της διεπαφής. και πιο πολύπλοκους μη γραμμικούς νόμους, όπου αυτός ο συντελεστής ποικίλλει ανάλογα με τη δύναμη διάτμησης.

Καθώς βελτιώνουν περαιτέρω την τεχνική τους, οι ερευνητές οραματίζονται ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών για την προσαρμόσιμη μετα-επιφανειακή προσέγγισή τους. «Η δημιουργία διεπαφών επαφών που ταιριάζουν με μια συγκεκριμένη συμπεριφορά τριβής είναι το Άγιο Δισκοπότηρο στην τριβολογία», λέει ο Scheibert.

«Η στρατηγική σχεδιασμού μας παρέχει νέα εργαλεία για την προετοιμασία τέτοιων διεπαφών τριβής. Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να ανοίξει ευκαιρίες σε διάφορους προκλητικούς τομείς, από τον αθλητισμό έως τη μαλακή ρομποτική. Εάν είναι περαιτέρω εξοπλισμένες με αισθητήρες και ενεργοποιητές, οι μεταδιεπαφές μας έχουν ακόμη και την υπόσχεση για έξυπνες διεπαφές επαφών με συντονισμό τριβής σε πραγματικό χρόνο».

Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστήμη.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/