אם אי פעם נאבקת להזיז רהיט כבד, בוודאי שמת לב שסיבוב הרהיט תוך כדי דחיפה מקל על הדברים. חוקרים בגרמניה ובאיטליה חקרו כעת את אותה תופעה בקנה מידה מיקרו, ובתוך כך זיהו את התנאים שאמורים לאפשר לחפצים מיקרוסקופיים להסתובב על פני משטח גבישי במינימום מומנט. הממצא התיאורטי הזה, שהצוות גיבוי בניסויים על כדורים מגנטיים זעירים, יכול לסייע בפיתוח של מכונות מיקרו וננו ליישומים בתחומים כמו רובוטיקה ואספקת תרופות.
כדי להזיז אובייקט - גדול או קטן - יש להפעיל כוח כדי להתגבר על החיכוך הטרנסיסטי הסטטי שלו עם המשטח הבסיסי. זהו עיקרון בסיסי של מכניקה, אך היחס בין חיכוך טרנסלציוני וחיכוך סיבובי הוא מורכב, והוא הופך להיות אף יותר בסולמות אורך זעירים שבהם משטחי המגע יכולים לכלול מעט כמו כמה מאות אטומים. במכשירים בגודל ננו, חיכוך תרגום הוא בעיה מיוחדת מכיוון שהיחס הגבוה שלהם בין שטח פנים לנפח פירושו שהמשטחים שלהם נשחקים במהירות ואף עשויים להיצמד זה לזה באופן ספונטני כאשר הם באים במגע.
חיקוי אזור המגע בין שני משטחים שטוחים מבחינה אטומית
כדי לחקור את הקשר בין חיכוך תרגום סטטי וחיכוך סיבובי, חברי צוות בראשות קלמנס בצ'ינגר של אוניברסיטת קונסטנץ, גרמניה התחיל ביצירת אשכולות גבישיים של כדורים מגנטיים בגודל מיקרון. לאחר מכן הם הביאו את הכדורים הללו למגע עם משטח מובנה המכיל בארות מרווחות מעת לעת כמו קרטון ביצים. מערך זה מחקה את סוג המגע המתרחש בין שני משטחים שטוחים מבחינה אטומית, מסביר שין קאו, מחבר ראשי של מאמר על המחקר שפורסם ב- סקירה גופנית X.
לאחר מכן, החוקרים סובבו את הצבירים באמצעות שדה מגנטי מסתובב, והשאירו בסביבות 10 עד 1000 חלקיקים כדוריים מכל צביר במגע עם פני השטח. המומנט המינימלי הנדרש כדי לגרום לאשכול להסתובב מתאים לחיכוך הסיבובי הסטטי, שהחוקרים מסבירים שדומה לחיכוך הטרנסלציוני הסטטי המאפיין את הכוח המינימלי הנדרש לדחיפת המקבץ.
החיכוך עושה את המשימות הכבדות בחבלים ובחוטים
ברגע שהסיבוב חורג מסף מסוים, החוקרים מצאו שחיכוך סטטי פוחת באופן דרמטי, מה שיוצר מצב של חיכוך סטטי נמוך במיוחד עבור אשכולות גדולים מאוד. "מצב חיכוך נמוך כזה מאפשר להגדיר סיבוב של עצמים מיקרוסקופיים על ידי הפעלת כמות מומנט מינימלית ויכול להיות רלוונטי מאוד לייצור ולתפקוד של מכשירים מכניים קטנים - מהאטומי ועד למיקרו-סקאלה - ומקרב אותנו אל מימוש מכונות קטנות ויעילות יותר", אומר בצ'ינגר.
סופרפוזיציה של תרגום וסיבוב
"בכל נסיבות מציאותיות, תנועתם של עצמים היא סופרפוזיציה של תרגום וסיבוב", הוא אומר עולם הפיזיקה. "עבור יישומים רבים חשוב לדעת את התנגדות החיכוך המלווה בתנועה כזו מכיוון שחיכוך צורך אנרגיה ואף עלול להוביל לכשל במכשירים. בניגוד לחיכוך תרגום, מעט ידוע על חיכוך סיבובי, אך התייחסנו כעת לאחרון במחקר שלנו."
עד כה, החוקרים התמקדו במשטחים תקופתיים לחלוטין. "בעבודתנו העתידית, נציג פגמים, אשר קיימים גם בנסיבות רבות", אומר בצ'ינגר.
