L'attrito alla microscala dipende inaspettatamente dalla velocità di scorrimento

L'attrito su scala atomica sembra dipendere dalla velocità con cui due superfici si muovono l'una accanto all'altra. Questo comportamento sorprendente è stato osservato mentre la punta di un microscopio a forza atomica (AFM) si muove lungo un rivestimento di grafene e i ricercatori delle università di Basilea in Svizzera e Tel Aviv in Israele affermano che deriva dall'ondulazione della superficie indotta da una mancata corrispondenza nella struttura reticolare del grafene. . La scoperta, insieme alle osservazioni secondo cui la forza di attrito si ridimensiona in modo diverso in diversi regimi di velocità, potrebbe avere applicazioni in dispositivi come dischi rigidi e componenti mobili di satelliti o telescopi spaziali che richiedono un attrito ultrabasso.

Negli oggetti macroscopici di tutti i giorni, l'attrito è indipendente dalla velocità di scorrimento (secondo la legge di Coulomb) o linearmente dipendente da essa (ad esempio nei mezzi viscosi). Su scala atomica, tuttavia, le cose sono diverse. Nel nuovo lavoro, una squadra ha guidato Ernst Mayer dal Istituto svizzero di nanoscienze e la Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea ha misurato la velocità alla quale un microscopio a forza atomica (AFM) si muove attraverso uno strato di grafene (una forma 2D di atomi di carbonio disposti in una configurazione a nido d'ape) sopra un substrato di platino.

Superreticoli moiré

Nel loro esperimento, in cui riferiscono Nano Letters, Meyer e colleghi hanno scoperto che il grafene forma sovrastrutture note come superlattici moiré. Queste strutture non sono più completamente piatte e l'attrito che producono si ridimensiona in vari modi a seconda del regime di velocità.

Secondo le simulazioni dinamiche molecolari atomistiche di Oded Hod ed Michele Urbakha Tel Aviv, il meccanismo alla base dell'effetto deriva dalla deformazione sulle creste del superreticolo moiré mentre la punta dell'AFM si muove lungo l'interfaccia grafene/platino. La punta induce una deformazione elastica mentre spinge sulla cresta, seguita dal rilassamento della cresta al distacco dalla punta mentre scorre in avanti.

A basse velocità di scansione AFM, la forza di attrito è piccola e rimane costante (che ricorda il comportamento macroscopico), spiega Hod. Al di sopra di una certa velocità di soglia, tuttavia, aumenta in modo logaritmico. "Questa soglia è minore quanto maggiore è la dimensione della sovrastruttura moiré, consentendo di regolare il valore di crossover tramite l'angolo di torsione interfacciale", afferma Hod.

“Un messaggio chiaro per applicazioni pratiche”

"I nostri risultati forniscono un messaggio chiaro per applicazioni pratiche", aggiunge Urbakh. "Per ottenere un attrito estremamente basso utilizzando rivestimenti di materiali bidimensionali, dovrebbero essere preparati in modo da produrre modelli moiré su piccola scala".

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I ricercatori affermano che il meccanismo che hanno osservato potrebbe essere rilevante anche per i materiali policristallini, in cui sono presenti bordi di grano. Hanno in programma di studiarli in modo più dettagliato in lavori futuri. "In questo caso, la dissipazione dell'energia per attrito è dominata dal contributo dei bordi di grano", dice Hod Mondo della fisica. "Intendiamo trovare modi per eliminare l'attrito al bordo del grano, ad esempio esplorando regimi di coefficienti di attrito negativi unici, in cui l'attrito si riduce con carichi normali esterni, in contrasto con la comune intuizione fisica".

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/friction-at-the-microscale-depends-unexpectedly-on-sliding-speed/