सरल मेटासर्फेस भौतिक इंटरफेस पर घर्षण पर नियंत्रण प्रदान करते हैं - फिजिक्स वर्ल्ड

फ्रांस में शोधकर्ताओं द्वारा विभिन्न सामग्रियों के बीच इंटरफेस पर घर्षण बलों को ठीक करने के लिए एक नई तकनीक विकसित की गई है। जूलियन शेइबर्ट और ल्योन विश्वविद्यालय के सहकर्मियों ने ग्लास और इलास्टोमेर नमूनों के बीच इंटरफेस पर घर्षण के विशिष्ट गुणांक बनाने के लिए सरल और आसानी से समायोज्य मेटासर्फेस का उपयोग किया।

टचस्क्रीन से लेकर रोबोटिक हाथों तक, घर्षण संपर्क कई आधुनिक उपकरणों का एक प्रमुख घटक हैं। अपने प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए, डिजाइनरों को सामग्री इंटरफेस पर घर्षण बलों पर कड़ा नियंत्रण स्थापित करने की आवश्यकता है। हालाँकि, सदियों की सावधानीपूर्वक जाँच के बावजूद, हमारे पास अभी भी किसी दिए गए इंटरफ़ेस पर घर्षण के गुणांक की भविष्यवाणी करने के लिए एक विश्वसनीय तरीका नहीं है।

घर्षण को समझने में मुख्य कठिनाई सतहों पर पाई जाने वाली बनावट की व्यापक विविधता है। सतह की विशेषताओं का आकार परिमाण के कई क्रमों तक फैल सकता है: परमाणु से लेकर मिलीमीटर पैमाने तक। चूंकि ये सभी विशेषताएं दो सतहों के बीच घर्षण को प्रभावित कर सकती हैं, इसलिए पहले सिद्धांतों से घर्षण गुणांक की गणना करना अक्सर अविश्वसनीय रूप से कठिन होता है।

वर्तमान में, सतहों के बीच घर्षण को अनुकूलित करने के लिए दो मुख्य तकनीकें हैं। एक विधि बस उन सामग्रियों की एक जोड़ी का चयन करना है जो घर्षण की सही मात्रा का अनुभव करते हैं। हालाँकि, अक्सर ऐसा होता है कि इन सामग्रियों में अन्य गुण - थर्मल, इलेक्ट्रिकल आदि नहीं होते हैं - जो एक विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए आवश्यक होते हैं।

ख़राब समझ

"दूसरी तकनीक सतहों पर कृत्रिम सूक्ष्म बनावट बनाना है," शेइबर्ट बताते हैं। "लेकिन क्योंकि बनावट और घर्षण के बीच संबंध को कम समझा जाता है, उपयुक्त बनावट की पहचान आमतौर पर लंबे और महंगे प्रयोगात्मक अभियानों के बाद ही की जाती है।"

अपने अध्ययन में, शेइबर्ट की टीम ने बहुत ही सरल मेटासर्फेस का उपयोग करके माइक्रोटेक्स्चरल दृष्टिकोण में सुधार किया, जिसमें गोलाकार कैप के वर्गाकार सरणियाँ शामिल हैं। प्रत्येक टोपी को अन्य टोपी के संबंध में एक विशिष्ट ऊंचाई दी जा सकती है (आंकड़ा देखें)।

"इन स्थितियों में, इंटरफ़ेस की [घर्षणात्मक] प्रतिक्रिया को सटीक रूप से मॉडल किया जा सकता है, और लक्षित घर्षण व्यवहार प्रदान करने वाली ऊंचाइयों की सूची वास्तव में सतहों के निर्माण से पहले निर्धारित की जा सकती है," शेइबर्ट बताते हैं। इस तरह, टीम पहले प्रयास में इंटरफ़ेशियल घर्षण के वांछित स्तर को प्राप्त करने के लिए विभिन्न बनावटों को इंजीनियर कर सकती है।

शोधकर्ताओं ने रबर जैसे इलास्टोमेर के सेंटीमीटर आकार के नमूनों पर मेटासर्फेस तैयार करके अपने दृष्टिकोण का परीक्षण किया। प्रत्येक सतह पर इलास्टोमेर से बनी 64 गोलाकार टोपियों की एक जाली दिखाई देती है। जिस ऊंचाई पर प्रत्येक टोपी सतह से निकलती है उसे व्यक्तिगत रूप से सेट किया जाता है, जिससे टीम को विभिन्न मेटासर्फेस की एक श्रृंखला बनाने की अनुमति मिलती है।

घर्षण को मेटासरफेस के ऊपर कांच का एक सपाट टुकड़ा रखकर और मेटासरफेस के साथ ग्लास को खींचते हुए नीचे धकेल कर मापा जाता है। मेटासतहों की संरचना को व्यवस्थित तरीके से समायोजित करके, इंटरफ़ेस पर घर्षण के विशिष्ट गुणांक बनाए जा सकते हैं।

दो भिन्न घर्षण गुणांक

यह दृष्टिकोण घर्षण बलों की प्रथम-सिद्धांत गणना की आवश्यकता के बिना और सामग्रियों के किसी भी गुण को बदले बिना काम करता है। "और भी, हमने दो अलग-अलग घर्षण गुणांक वाले संपर्क तैयार किए हैं, जो इंटरफ़ेस पर लागू संपीड़न के स्तर पर निर्भर करते हैं - एक ऐसा व्यवहार जो प्रकृति में बहुत दुर्लभ है," शेइबर्ट कहते हैं।

घर्षण रस्सियों और धागों में भारी भारोत्तोलन करता है

इस त्वरित और किफायती दृष्टिकोण के साथ, शेइबर्ट की टीम अपने प्रयोगों में विभिन्न प्रकार के ज्ञात घर्षण कानूनों को पुन: पेश करने में सक्षम थी: रैखिक कानूनों सहित, जहां इंटरफ़ेस में कतरनी बल बढ़ने पर गुणांक घर्षण स्थिर रहता है; और अधिक जटिल अरेखीय कानून, जहां यह गुणांक अपरूपण बल के साथ बदलता रहता है।

जैसे-जैसे वे अपनी तकनीक में और सुधार करते हैं, शोधकर्ता अपने समायोज्य मेटासरफेस दृष्टिकोण के लिए अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला की परिकल्पना करते हैं। शेइबर्ट कहते हैं, "एक निर्दिष्ट घर्षण व्यवहार से मेल खाने वाले संपर्क इंटरफेस बनाना ट्राइबोलॉजी में पवित्र ग्रेल है।"

“हमारी डिज़ाइन रणनीति ऐसे घर्षण इंटरफ़ेस तैयार करने के लिए नए उपकरण प्रदान करती है। यह संभावित रूप से खेल से लेकर सॉफ्ट रोबोटिक्स तक विभिन्न चुनौतीपूर्ण क्षेत्रों में अवसर खोल सकता है। यदि सेंसर और एक्चुएटर्स से सुसज्जित किया जाए, तो हमारे मेटाइंटरफेस वास्तविक समय घर्षण ट्यूनिंग के साथ स्मार्ट संपर्क इंटरफेस का वादा भी करते हैं।

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/