Kui teil on kunagi olnud raskusi raske mööblieseme teisaldamisega, olete ilmselt märganud, et mööbli lükkamise ajal pööramine muudab asjad lihtsamaks. Saksamaa ja Itaalia teadlased on nüüd seda sama nähtust mikroskaalal uurinud ja selle käigus tuvastanud tingimused, mis peaksid võimaldama mikroskoopilistel objektidel keerleda üle kristalse pinna minimaalse pöördemomendiga. See teoreetiline leid, mida meeskond toetas väikeste magnetsfääride katsetega, võib aidata arendada mikro- ja nanomasinaid sellistes rakendustes nagu robootika ja ravimite kohaletoimetamine.
Objekti liigutamiseks – olgu see siis suur või väike – tuleb rakendada jõudu, et ületada selle staatiline translatsiooniline hõõrdumine aluspinnaga. See on mehaanika põhiprintsiip, ometi on translatsiooni- ja pöörlemishõõrdumise vaheline suhe keeruline ja muutub veelgi olulisemaks väikestel pikkusskaaladel, kus kontaktpinnad võivad hõlmata vaid paarsada aatomit. Nanosuuruses seadmetes on translatsiooniline hõõrdumine eriline probleem, kuna nende kõrge pinna ja ruumala suhe tähendab, et nende pinnad kuluvad kiiresti ja võivad kokkupuutel isegi spontaanselt kokku kleepuda.
Kahe aatomiliselt tasase pinna vahelise kontaktala jäljendamine
Staatilise translatsiooni- ja pöörlemishõõrdumise vahelise seose uurimiseks meeskonna liikmed, keda juhib Clemens Bechinger Euroopa Konstanzi ülikool, Saksamaa sai alguse mikronisuurustest magnetsfääridest kristalsete klastrite valmistamisega. Seejärel viisid nad need kerad kokku struktureeritud pinnaga, mis sisaldas perioodiliselt paigutatud süvendeid nagu munakarp. See seadistus jäljendab kontakti tüüpi, mis tekib kahe aatomiliselt tasase pinna vahel, selgitab Xin Cao, aastal avaldatud uurimistöö juhtiv autor. Füüsiline ülevaade X.
Seejärel pöörasid teadlased klastreid pöörleva magnetvälja abil, hoides igast klastrist umbes 10–1000 sfäärilist osakest pinnaga kontaktis. Minimaalne pöördemoment, mis on vajalik klastri pöörlemiseks, vastab staatilisele pöörlemishõõrdumisele, mis on teadlaste sõnul sarnane staatilise translatsioonihõõrdumisega, mis iseloomustab klastri surumiseks vajalikku minimaalset jõudu.
Hõõrdumine tõstab köite ja lõngade raskusi
Kui pöörlemine ületab teatud künnise, leidsid teadlased, et staatiline hõõrdumine väheneb dramaatiliselt, tekitades väga suurte klastrite jaoks ülimadala staatilise hõõrdumise. "Selline madala hõõrdumisega olek võimaldab panna mikroskoopilisi objekte pöörlema, rakendades minimaalset pöördemomenti ning see võib olla väga oluline väikeste mehaaniliste seadmete valmistamisel ja toimimisel - alates aatomist kuni mikromõõtmeteni -, mis toob meid lähemale väiksemate ja tõhusamate masinate realiseerimine, ”ütleb Bechinger.
Tõlke ja pöörlemise superpositsioon
"Igas realistlikus olukorras on objektide liikumine translatsiooni ja pöörlemise superpositsioon," räägib ta Füüsika maailm. „Paljude rakenduste puhul on oluline teada sellise liikumisega kaasnevat hõõrdetakistust, sest hõõrdumine kulutab energiat ja võib isegi põhjustada seadmete rikke. Erinevalt translatsioonilisest hõõrdumisest on pöörlemishõõrdumisest vähe teada, kuid oleme nüüd oma uuringus viimast käsitlenud.
Seni on teadlased keskendunud ideaalselt perioodilistele pindadele. "Oma edaspidises töös tutvustame defekte, mis on samuti paljudel juhtudel olemas," ütleb Bechinger.
