무거운 가구를 이동하는 데 어려움을 겪어 본 적이 있다면 가구를 밀면서 회전시키는 것이 작업을 더 쉽게 한다는 것을 알아차렸을 것입니다. 독일과 이탈리아의 연구원들은 이제 마이크로 스케일에서 동일한 현상을 조사했으며 그 과정에서 미세한 물체가 최소한의 토크로 결정 표면을 가로질러 회전할 수 있는 조건을 확인했습니다. 팀이 작은 자기 구체에 대한 실험으로 뒷받침한 이 이론적 발견은 로봇 공학 및 약물 전달과 같은 분야의 애플리케이션을 위한 마이크로 및 나노 기계의 개발을 도울 수 있습니다.
크든 작든 개체를 이동하려면 기본 표면과의 정적 병진 마찰을 극복하기 위해 힘을 가해야 합니다. 이것은 역학의 기본 원리이지만 병진 마찰과 회전 마찰 사이의 관계는 복잡하며 접촉 표면이 수백 개의 원자만큼 적게 포함될 수 있는 작은 길이 척도에서는 더욱 복잡해집니다. 나노 크기 장치에서 병진 마찰은 표면적 대 부피 비율이 높기 때문에 표면이 빠르게 마모되고 접촉할 때 자발적으로 서로 붙을 수 있기 때문에 특별한 문제입니다.
원자적으로 평평한 두 표면 사이의 접촉 영역 모방
정적 병진 마찰과 회전 마찰 사이의 관계를 연구하기 위해 클레멘스 베칭거 의 독일 콘스탄츠 대학교 미크론 크기의 자기 구의 결정 클러스터를 만드는 것으로 시작되었습니다. 그런 다음 그들은 달걀 상자와 같이 주기적으로 간격을 둔 우물을 포함하는 구조화된 표면과 접촉하도록 이 구체를 가져왔습니다. 이 설정은 XNUMX개의 원자적으로 평평한 표면 사이에서 발생하는 접촉 유형을 모방한다고 XNUMX년 XNUMX월 XNUMX일에 발표된 연구 논문의 수석 저자인 Xin Cao는 설명합니다. 물리적 검토 X.
그런 다음 연구원들은 회전 자기장을 사용하여 클러스터를 회전시켜 각 클러스터에서 약 10~1000개의 구형 입자가 표면과 접촉하도록 유지했습니다. 클러스터를 회전시키는 데 필요한 최소 토크는 클러스터를 누르는 데 필요한 최소 힘을 특징짓는 정적 병진 마찰과 유사하다고 연구자들은 설명하는 정적 회전 마찰에 해당합니다.
마찰은 로프와 실에서 무거운 것을 들어 올립니다.
회전이 특정 임계값을 초과하면 연구원들은 정적 마찰이 극적으로 감소하여 매우 큰 클러스터에 대해 매우 낮은 정적 마찰 상태를 생성한다는 것을 발견했습니다. "이러한 저마찰 상태는 최소량의 토크를 적용하여 미세한 물체를 회전할 수 있게 하며 원자에서 마이크로 스케일에 이르기까지 소형 기계 장치의 제조 및 기능과 매우 관련이 있을 수 있습니다. 더 작고 더 효율적인 기계를 실현하고 있습니다.”라고 Bechinger는 말합니다.
이동과 회전의 중첩
"현실적인 상황에서 물체의 움직임은 이동과 회전의 중첩입니다."라고 그는 말합니다. 물리 세계. “많은 응용 분야에서 마찰은 에너지를 소비하고 장치 고장으로 이어질 수도 있기 때문에 그러한 움직임에 수반되는 마찰 저항을 아는 것이 중요합니다. 병진 마찰과 달리 회전 마찰에 대해서는 알려진 바가 거의 없지만 이제 연구에서 후자를 다루었습니다.”
지금까지 연구원들은 완벽하게 주기적인 표면에 초점을 맞추었습니다. Bechinger는 "향후 연구에서는 많은 상황에서도 존재하는 결함을 소개할 것입니다."라고 말합니다.
