Jos olet joskus kamppaillut raskaan huonekalun siirtämisessä, olet luultavasti huomannut, että huonekalun kääntäminen sitä työntäen tekee asioista helpompaa. Saksalaiset ja italialaiset tutkijat ovat nyt tutkineet tätä samaa ilmiötä mikromittakaavassa ja samalla tunnistaneet olosuhteet, joiden pitäisi mahdollistaa mikroskooppisten esineiden pyöriminen kiteisen pinnan poikki vähäisellä vääntömomentilla. Tämä teoreettinen havainto, jota ryhmä tuki pienillä magneettipalloilla tehdyillä kokeilla, voisi auttaa kehittämään mikro- ja nanokoneita sovelluksiin, kuten robotiikkaan ja lääkkeiden jakeluun.
Kohteen liikuttamiseen – olipa se isoa tai pientä – täytyy käyttää voimaa sen staattisen translaatiokitkan voittamiseksi alla olevan pinnan kanssa. Tämä on mekaniikan perusperiaate, mutta translaatio- ja pyörimiskitkan välinen suhde on monimutkainen, ja se tulee vieläkin vaikeammaksi pienillä pituuksilla, joissa kosketuspintoihin voi kuulua vain muutama sata atomia. Nanokokoisissa laitteissa translaatiokitka on erityinen ongelma, koska niiden korkea pinta-ala-tilavuussuhde tarkoittaa, että niiden pinnat kuluvat nopeasti ja voivat jopa tarttua spontaanisti yhteen, kun ne joutuvat kosketuksiin.
Matkii kahden atomisesti tasaisen pinnan välistä kosketusaluetta
Staattisen translaation ja kiertokitkan välisen suhteen tutkimiseksi johtaman tiimin jäsenet Clemens Bechinger että Konstanzin yliopisto, Saksa alkoi valmistamalla kiteisiä klustereita mikronin kokoisista magneettipalloista. Sitten he saattoivat nämä pallot kosketuksiin strukturoidun pinnan kanssa, joka sisälsi säännöllisin väliajoin olevia kuoppia, kuten munapakkaus. Tämä järjestely jäljittelee kahden atomisesti tasaisen pinnan välistä kosketusta, selittää Xin Cao, vuonna XNUMX julkaistun tutkimuksen johtava kirjoittaja. Fyysinen arviointi X.
Sitten tutkijat pyörittelivät klustereita pyörivän magneettikentän avulla pitäen noin 10-1000 pallomaista hiukkasta kustakin klusterista kosketuksissa pintaan. Vähimmäisvääntömomentti, joka tarvitaan klusterin pyörittämiseen, vastaa staattista pyörimiskitkaa, jonka tutkijat selittävät olevan samanlainen kuin staattinen translaatiokitka, joka luonnehtii klusterin työntämiseen vaadittavaa vähimmäisvoimaa.
Kitka nostaa köysien ja lankojen raskasta
Kun kierto ylittää tietyn kynnyksen, tutkijat havaitsivat, että staattinen kitka vähenee dramaattisesti, mikä tuottaa erittäin alhaisen staattisen kitkan tilan erittäin suurille klusteille. "Tällainen vähäkitkainen tila mahdollistaa mikroskooppisten esineiden pyörittämisen käyttämällä minimaalista vääntömomenttia ja se voi olla erittäin merkityksellinen pienten mekaanisten laitteiden valmistuksessa ja toiminnassa - atomeista mikromittakaavaan - tuoden meidät lähemmäksi pienempiä ja tehokkaampia koneita”, Bechinger sanoo.
Käännöksen ja rotaation superpositio
"Kaikissa realistisissa olosuhteissa esineiden liike on siirtymisen ja pyörimisen superpositio", hän kertoo Fysiikan maailma. ”Monissa sovelluksissa on tärkeää tietää kitkavastus, joka liittyy tällaiseen liikkeeseen, koska kitka kuluttaa energiaa ja voi jopa johtaa laitteiden vikaantumiseen. Toisin kuin translaatiokitka, pyörimiskitkasta tiedetään vähän, mutta olemme nyt käsitelleet jälkimmäistä tutkimuksessamme.
Toistaiseksi tutkijat ovat keskittyneet täysin jaksollisiin pintoihin. "Tulevassa työssämme tuomme esiin vikoja, joita myös esiintyy monissa olosuhteissa", Bechinger sanoo.
