Jika Anda pernah berjuang untuk menggeser furnitur yang berat, Anda mungkin memperhatikan bahwa memutar furnitur sambil mendorongnya membuat segalanya lebih mudah. Para peneliti di Jerman dan Italia kini telah menyelidiki fenomena yang sama pada skala mikro dan, dalam prosesnya, mengidentifikasi kondisi yang memungkinkan objek mikroskopis berputar melintasi permukaan kristal dengan torsi minimum. Temuan teoretis ini, yang didukung oleh tim dengan eksperimen pada bola magnetik kecil, dapat membantu pengembangan mesin mikro dan nano untuk aplikasi di berbagai bidang seperti robotika dan pengiriman obat.
Untuk memindahkan suatu benda – baik itu besar atau kecil – seseorang harus menerapkan gaya untuk mengatasi gesekan translasi statis dengan permukaan di bawahnya. Ini adalah prinsip dasar mekanika, namun hubungan antara gesekan translasi dan rotasi rumit, dan bahkan menjadi lebih rumit pada skala panjang kecil di mana permukaan kontak dapat melibatkan sedikitnya beberapa ratus atom. Dalam perangkat berukuran nano, gesekan translasi adalah masalah khusus karena rasio luas permukaan terhadap volume yang tinggi berarti bahwa permukaannya cepat aus dan bahkan mungkin secara spontan saling menempel saat bersentuhan.
Meniru bidang kontak antara dua permukaan yang rata secara atomik
Untuk mempelajari hubungan antara gesekan translasi dan rotasi statis, anggota tim yang dipimpin oleh Clemens Bechinger dari Universitas Konstanz, Jerman dimulai dengan membuat kelompok kristal dari bola magnetik berukuran mikron. Mereka kemudian membawa bola-bola ini ke dalam kontak dengan permukaan terstruktur yang berisi sumur dengan jarak berkala seperti karton telur. Pengaturan ini meniru jenis kontak yang terjadi antara dua permukaan datar atom, jelas Xin Cao, penulis utama makalah tentang penelitian yang diterbitkan di Ulasan Fisik X.
Para peneliti kemudian memutar kluster menggunakan medan magnet yang berputar, menjaga sekitar 10 hingga 1000 partikel bola dari setiap kluster bersentuhan dengan permukaan. Torsi minimum yang diperlukan untuk membuat kluster berputar sesuai dengan gesekan rotasi statis, yang dijelaskan oleh para peneliti mirip dengan gesekan translasi statis yang mencirikan gaya minimum yang diperlukan untuk mendorong kluster.
Gesekan melakukan pengangkatan berat pada tali dan benang
Setelah rotasi melebihi ambang batas tertentu, para peneliti menemukan bahwa gesekan statis berkurang secara dramatis, menghasilkan keadaan gesekan statis sangat rendah untuk kelompok yang sangat besar. “Kondisi gesekan rendah seperti itu memungkinkan objek mikroskopis diatur dalam rotasi dengan menerapkan jumlah torsi minimal dan bisa sangat relevan untuk fabrikasi dan fungsi perangkat mekanis kecil – dari atom hingga skala mikro – membawa kita lebih dekat ke mewujudkan mesin yang lebih kecil dan lebih efisien,” kata Bechinger.
Superposisi translasi dan rotasi
"Dalam keadaan realistis apa pun, gerakan benda adalah superposisi translasi dan rotasi," katanya Dunia Fisika. “Untuk banyak aplikasi, penting untuk mengetahui hambatan gesekan yang disertai dengan gerakan seperti itu karena gesekan menghabiskan energi dan bahkan dapat menyebabkan kegagalan perangkat. Tidak seperti gesekan translasi, sedikit yang diketahui tentang gesekan rotasi, tetapi kami sekarang telah membahas yang terakhir dalam penelitian kami.
Sejauh ini, para peneliti telah fokus pada permukaan periodik sempurna. “Dalam pekerjaan kami di masa depan, kami akan memperkenalkan cacat, yang juga hadir dalam banyak keadaan,” kata Bechinger.
