低摩擦状態により、マイクロオブジェクトの移動が容易になります

重い家具を移動するのに苦労したことがある場合は、家具を押しながら回転させると作業が楽になることに気付いたでしょう。 ドイツとイタリアの研究者は現在、この同じ現象をマイクロスケールで調査しており、その過程で、微視的な物体が最小限のトルクで結晶表面を横切って回転することを可能にする条件を特定しました. チームが小さな磁気球の実験で裏付けたこの理論的発見は、ロボット工学や薬物送達などの分野でのアプリケーション向けのマイクロおよびナノマシンの開発に役立つ可能性があります。

オブジェクトを動かすには、それが大きくても小さくても、下にあるサーフェスとの静的並進摩擦を克服するために力を加える必要があります。 これは力学の基本原理ですが、並進摩擦と回転摩擦の関係は複雑であり、接触面に数百個の原子が含まれる小さな長さスケールでは、さらに複雑になります。 ナノサイズのデバイスでは、並進摩擦が特に問題になります。これは、表面積と体積の比率が高いため、表面がすぐに摩耗し、接触すると自然にくっつく可能性があるためです。

XNUMX つの原子的に平坦な表面間の接触領域を模倣する

静的並進摩擦と回転摩擦の関係を研究するために、 クレメンス・ベヒンガー コンスタンツ大学、ドイツ ミクロンサイズの磁気球の結晶クラスターを作ることから始めました。 次に、これらの球体を、卵パックのように周期的に配置されたウェルを含む構造化された表面と接触させました。 このセットアップは、XNUMX つの原子的に平らな表面間で発生する接触のタイプを模倣していると、この研究に関する論文の筆頭著者である Xin Cao は次のように説明しています。 フィジカルレビューX.

次に、研究者は、回転磁場を使用してクラスターを回転させ、各クラスターから約 10 ～ 1000 個の球状粒子を表面に接触させたままにしました。 クラスターを回転させるために必要な最小トルクは、静的回転摩擦に対応し、研究者は、クラスターを押すのに必要な最小力を特徴付ける静的並進摩擦に似ていると説明しています。

回転が特定のしきい値を超えると、研究者は静止摩擦が劇的に減少し、非常に大きなクラスターの超低静止摩擦の状態を生成することを発見しました。 「このような低摩擦状態により、最小量のトルクを適用することで微視的なオブジェクトを回転させることができ、原子スケールからマイクロスケールまでの小さな機械デバイスの製造と機能に非常に関連する可能性があり、私たちをより身近なものにすることができます。より小型で効率的な機械を実現することです」と Bechinger 氏は言います。

平行移動と回転の重ね合わせ

「現実的な状況下では、物体の動きは平行移動と回転の重ね合わせです」と彼は言います。 物理学の世界. 「多くのアプリケーションでは、摩擦がエネルギーを消費し、デバイスの故障につながる可能性があるため、そのような動きに伴う摩擦抵抗を知ることが重要です。 並進摩擦とは異なり、回転摩擦についてはほとんど知られていませんが、私たちの研究では後者に取り組んでいます。」

これまでのところ、研究者は完全に周期的な表面に焦点を当ててきました。 「私たちの将来の作業では、多くの状況下でも存在する欠陥を導入する予定です」と Bechinger 氏は言います。