Le metasuperfici semplici offrono il controllo sull'attrito nelle interfacce dei materiali – Physics World

Alcuni ricercatori francesi hanno sviluppato una nuova tecnica per regolare con precisione le forze di attrito alle interfacce tra diversi materiali. Julien Scheibert e colleghi dell’Università di Lione hanno utilizzato metasuperfici semplici e facilmente regolabili per creare coefficienti di attrito specifici all’interfaccia tra campioni di vetro ed elastomero.

Dai touchscreen alle mani robotiche, i contatti ad attrito sono una componente chiave di molti dispositivi moderni. Per ottimizzare le prestazioni, i progettisti devono stabilire uno stretto controllo sulle forze di attrito alle interfacce dei materiali. Tuttavia, nonostante secoli di attente indagini, non disponiamo ancora di un metodo affidabile per prevedere il coefficiente di attrito attraverso una determinata interfaccia.

La principale difficoltà nel comprendere l’attrito è l’assoluta diversità delle strutture trovate sulle superfici. La dimensione delle caratteristiche superficiali può estendersi su diversi ordini di grandezza: dalla scala atomica a quella millimetrica. Poiché tutte queste caratteristiche possono influenzare l’attrito tra due superfici, spesso è incredibilmente difficile calcolare i coefficienti di attrito partendo dai primi principi.

Attualmente esistono due tecniche principali per ottimizzare l'attrito tra le superfici. Un metodo consiste nel selezionare semplicemente una coppia di materiali che subiscono la corretta quantità di attrito. Tuttavia, spesso accade che questi materiali non abbiano le altre proprietà – termiche, elettriche, ecc. – richieste per un'applicazione specifica.

Scarsa comprensione

"La seconda tecnica consiste nel creare microtessiture artificiali sulle superfici", spiega Scheibert. "Ma poiché la relazione tra consistenza e attrito rimane scarsamente compresa, le texture adatte vengono solitamente identificate solo dopo campagne sperimentali lunghe e costose."

Nel loro studio, il team di Scheibert ha migliorato l’approccio microtessiturale utilizzando metasuperfici molto semplici che comprendono schiere quadrate di calotte sferiche. Ad ogni tappo può essere assegnata una specifica altezza rispetto agli altri tappi (vedi figura).

"In queste condizioni, la risposta [di attrito] dell'interfaccia può essere modellata accuratamente e l'elenco di altezze che offre il comportamento di attrito mirato può essere determinato prima di produrre effettivamente le superfici", spiega Scheibert. In questo modo, il team ha potuto progettare diverse texture per ottenere il livello desiderato di attrito interfacciale al primo tentativo.

I ricercatori hanno testato il loro approccio preparando metasuperfici su campioni di un centimetro di un elastomero simile alla gomma. Ciascuna superficie presentava un reticolo di 64 calotte sferiche in elastomero. L'altezza alla quale ciascuna calotta sporge dalla superficie è impostata individualmente, consentendo al team di creare una gamma di metasuperfici diverse.

L'attrito viene misurato posizionando un pezzo di vetro piatto sopra la metasuperficie e spingendolo verso il basso mentre si trascina il vetro lungo la metasuperficie. Modificando la struttura delle metasuperfici in modo sistematico, è possibile creare coefficienti di attrito specifici sull'interfaccia.

Due diversi coefficienti di attrito

L'approccio ha funzionato senza bisogno di calcoli di principi primi delle forze di attrito e senza modificare alcuna proprietà dei materiali stessi. "Inoltre, abbiamo preparato contatti con due diversi coefficienti di attrito, che dipendono dal livello di compressione applicato all'interfaccia, un comportamento molto raro in natura", aggiunge Scheibert.

L'attrito fa il sollevamento pesante di funi e filati

Con questo approccio rapido ed economico, il team di Scheibert è stato in grado di riprodurre una varietà di leggi di attrito conosciute nei loro esperimenti: comprese le leggi lineari, dove il coefficiente di attrito rimane costante all’aumentare delle forze di taglio attraverso l’interfaccia; e leggi non lineari più complesse, dove questo coefficiente varia con la forza di taglio.

Man mano che migliorano ulteriormente la loro tecnica, i ricercatori prevedono un'ampia gamma di applicazioni per il loro approccio alla metasuperficie regolabile. "Creare interfacce di contatto che corrispondano a un comportamento di attrito specifico è il Santo Graal della tribologia", afferma Scheibert.

"La nostra strategia di progettazione fornisce nuovi strumenti per preparare tali interfacce frizionali. Ciò potrebbe potenzialmente aprire opportunità in vari campi impegnativi, dallo sport alla robotica morbida. Se ulteriormente dotate di sensori e attuatori, le nostre metainterfacce mantengono anche la promessa di interfacce di contatto intelligenti con regolazione dell'attrito in tempo reale."

La ricerca è descritta in Scienze.

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