Als je ooit moeite hebt gehad om een zwaar meubel te verplaatsen, heb je waarschijnlijk gemerkt dat het draaien van het meubel tijdens het duwen de zaken gemakkelijker maakt. Onderzoekers in Duitsland en Italië hebben ditzelfde fenomeen nu op microschaal onderzocht en daarbij de omstandigheden geïdentificeerd waardoor microscopisch kleine objecten met een absoluut minimum aan koppel over een kristallijn oppervlak zouden kunnen draaien. Deze theoretische bevinding, die het team ondersteunde met experimenten op kleine magnetische bollen, zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van micro- en nanomachines voor toepassingen op gebieden zoals robotica en medicijnafgifte.
Om een object te verplaatsen, of het nu groot of klein is, moet men een kracht uitoefenen om de statische translatiewrijving met het onderliggende oppervlak te overwinnen. Dit is een basisprincipe van de mechanica, maar de relatie tussen translatie- en rotatiewrijving is complex, en het wordt nog meer op kleine lengteschalen waar de contactoppervlakken slechts een paar honderd atomen kunnen bevatten. Bij apparaten van nanoformaat is translatiewrijving een bijzonder probleem omdat hun hoge oppervlakte-tot-volumeverhoudingen betekenen dat hun oppervlakken snel verslijten en zelfs spontaan aan elkaar kunnen kleven als ze in contact komen.
Het contactgebied tussen twee atomair vlakke oppervlakken nabootsen
Om de relatie tussen statische translatie en rotatiewrijving te bestuderen, hebben leden van een team onder leiding van Clemens Bechinger van de Universiteit van Konstanz, Duitsland begon met het maken van kristallijne clusters van magnetische bollen ter grootte van een micron. Vervolgens brachten ze deze bollen in contact met een gestructureerd oppervlak met periodiek op afstand staande putten zoals een eierdoos. Deze opstelling bootst het type contact na dat optreedt tussen twee atomair vlakke oppervlakken, legt Xin Cao uit, een hoofdauteur van een artikel over het onderzoek gepubliceerd in Fysieke beoordeling X.
De onderzoekers roteerden vervolgens de clusters met behulp van een roterend magnetisch veld, waarbij ongeveer 10 tot 1000 bolvormige deeltjes van elk cluster in contact bleven met het oppervlak. Het minimale koppel dat nodig is om het cluster te laten draaien, komt overeen met de statische rotatiewrijving, die volgens de onderzoekers vergelijkbaar is met de statische translatiewrijving die de minimale kracht kenmerkt die nodig is om het cluster te duwen.
Wrijving doet het zware werk in touwen en garens
Zodra de rotatie een bepaalde drempel overschrijdt, ontdekten de onderzoekers dat statische wrijving dramatisch afneemt, waardoor een toestand van ultralage statische wrijving voor zeer grote clusters ontstaat. "Een dergelijke toestand met lage wrijving maakt het mogelijk microscopisch kleine objecten in rotatie te brengen door een minimale hoeveelheid koppel toe te passen en kan zeer relevant zijn voor de fabricage en werking van kleine mechanische apparaten - van atomaire tot microschaal - waardoor we dichter bij het realiseren van kleinere en efficiëntere machines”, zegt Bechinger.
Een superpositie van translatie en rotatie
"Onder alle realistische omstandigheden is de beweging van objecten een superpositie van translatie en rotatie", vertelt hij Natuurkunde wereld. “Voor veel toepassingen is het belangrijk om de wrijvingsweerstand te kennen die gepaard gaat met een dergelijke beweging, omdat wrijving energie kost en zelfs kan leiden tot uitval van apparaten. In tegenstelling tot translatiewrijving is er weinig bekend over rotatiewrijving, maar die laatste hebben we nu in ons onderzoek behandeld.”
Tot nu toe hebben de onderzoekers zich gericht op perfect periodieke oppervlakken. "In ons toekomstige werk zullen we defecten introduceren, die ook onder veel omstandigheden aanwezig zijn", zegt Bechinger.
