מטא-משטחים פשוטים מציעים שליטה על חיכוך בממשקי חומר - עולם הפיזיקה

טכניקה חדשה לכוונון עדין של כוחות חיכוך בממשקים בין חומרים שונים פותחה על ידי חוקרים בצרפת. ז'וליאן שיברט ועמיתים מאוניברסיטת ליון השתמשו במטא-משטחים פשוטים וניתנים להתאמה בקלות כדי ליצור מקדמי חיכוך ספציפיים בממשק בין דגימות זכוכית ואלסטומר.

ממסכי מגע ועד לידיים רובוטיות, מגעים חיכוכים הם מרכיב מרכזי במכשירים מודרניים רבים. כדי לייעל את הביצועים שלהם, מעצבים צריכים לבסס שליטה הדוקה על כוחות החיכוך בממשקי החומר. עם זאת, למרות מאות שנים של חקירה מדוקדקת, עדיין אין לנו שיטה אמינה לניבוי מקדם החיכוך על פני כל ממשק נתון.

הקושי העיקרי בהבנת החיכוך הוא הגיוון העצום של מרקמים שנמצאים על משטחים. גודלן של תכונות פני השטח יכול להשתרע על פני מספר סדרי גודל: מסולמות אטומיים ועד מילימטרים. מכיוון שכל התכונות הללו יכולות להשפיע על החיכוך בין שני משטחים, לעתים קרובות קשה להפליא לחשב מקדמי חיכוך מהעקרונות הראשונים.

נכון לעכשיו, קיימות שתי טכניקות עיקריות לייעול החיכוך בין משטחים. שיטה אחת היא פשוט לבחור זוג חומרים שחווים את כמות החיכוך הנכונה. עם זאת, לעיתים קרובות אין לחומרים אלו את התכונות האחרות - תרמיות, חשמליות וכו' - הנדרשות ליישום ספציפי.

הבנה לקויה

"הטכניקה השנייה היא ליצור מיקרוטקסטורות מלאכותיות על המשטחים", מסביר שיברט. "אבל בגלל שהקשר בין מרקם וחיכוך עדיין לא מובן, מרקמים מתאימים מזוהים בדרך כלל רק לאחר קמפיינים ניסיוניים ארוכים ויקרים."

במחקר שלהם, הצוות של Scheibert שיפר את הגישה המיקרוטקסטואלית על ידי שימוש במטא-משטחים פשוטים מאוד המורכבים מערכים מרובעים של מכסים כדוריים. לכל כובע ניתן לתת גובה מסוים ביחס לשאר הכובעים (ראה איור).

"בתנאים אלה, ניתן לעצב את התגובה [החיכוך] של הממשק בצורה מדויקת, וניתן לקבוע את רשימת הגבהים שמציעה את התנהגות החיכוך הממוקדת לפני ייצור המשטחים בפועל", מסביר שיברט. בדרך זו, הצוות יכול להנדס מרקמים שונים כדי להשיג את רמת החיכוך הרצויה של הממשק בניסיון הראשון.

החוקרים בדקו את הגישה שלהם על ידי הכנת משטחים על דגימות בגודל סנטימטר של אלסטומר דמוי גומי. כל משטח כלל סריג של 64 כובעים כדוריים עשויים מאלסטומר. הגובה שבו כל כובע בולט מהמשטח נקבע בנפרד, מה שמאפשר לצוות ליצור מגוון של משטחים שונים.

חיכוך נמדד על ידי הנחת חתיכת זכוכית שטוחה על גבי המטא-משטח ודחיפה מטה תוך גרירת הזכוכית לאורך המטא-משטח. על ידי התאמת מבנה המטא-משטחים בצורה שיטתית, ניתן היה ליצור מקדמי חיכוך ספציפיים בממשק.

שני מקדמי חיכוך שונים

הגישה עבדה ללא כל צורך בחישובי עקרונות ראשונים של כוחות חיכוך, וללא שינוי כל מאפיינים של החומרים עצמם. "יתר על כן, הכנו אנשי קשר הכוללים שני מקדמי חיכוך שונים, התלויים ברמת הדחיסה המופעלת על הממשק - התנהגות נדירה מאוד בטבעה", מוסיף שיברט.

החיכוך עושה את המשימות הכבדות בחבלים ובחוטים

עם גישה מהירה ובמחיר סביר זו, הצוות של Scheibert הצליח לשחזר מגוון חוקי חיכוך ידועים בניסויים שלהם: כולל חוקים ליניאריים, שבהם החיכוך של מקדם נשאר קבוע ככל שכוחות הגזירה גדלים על פני הממשק; וחוקים לא ליניאריים מורכבים יותר, שבהם מקדם זה משתנה עם כוח הגזירה.

ככל שהם משפרים את הטכניקה שלהם עוד יותר, החוקרים צופים במגוון רחב של יישומים לגישת המטא-שטח המתכווננת שלהם. "יצירת ממשקי מגע התואמים להתנהגות חיכוך מוגדרת היא הגביע הקדוש בטריבולוגיה", אומר שיברט.

"אסטרטגיית העיצוב שלנו מספקת כלים חדשים להכנת ממשקי חיכוך כאלה. זה עשוי לפתוח הזדמנויות בתחומים מאתגרים שונים, מספורט ועד רובוטיקה רכה. אם מצוידים עוד בחיישנים ומפעילים, ממשקי המטא שלנו אפילו טומנים בחובם את ההבטחה לממשקי מגע חכמים עם כוונון חיכוך בזמן אמת".

המחקר מתואר ב מדע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/