Friksjon på mikroskala avhenger uventet av glidehastigheten

Friksjon på atomskala ser ut til å avhenge av hastigheten der to overflater beveger seg forbi hverandre. Denne overraskende oppførselen ble observert når tuppen av et atomkraftmikroskop (AFM) beveger seg langs et grafenbelegg, og forskere ved universitetene i Basel i Sveits og Tel Aviv i Israel sier at det er et resultat av overflatekorrugering indusert av en mismatch i grafens gitterstruktur . Funnet, sammen med observasjoner om at friksjonskraften skaleres ulikt i ulike hastighetsregimer, kan ha anvendelser i enheter som harddisker og bevegelige komponenter i satellitter eller romteleskoper som krever ultralav friksjon.

I hverdagslige, makroskopiske objekter er friksjonen enten uavhengig av glidehastigheten (i henhold til Coulombs lov) eller lineært avhengig av den (for eksempel i viskøse medier). På atomskala er imidlertid ting annerledes. I det nye arbeidet ledet et team Ernst Meyer fra Sveitsisk institutt for nanovitenskap og Institutt for fysikk ved Basel University målte hastigheten som et atomkraftmikroskop (AFM) beveger seg over et lag med grafen (en 2D-form av karbonatomer arrangert i en honeycomb-lignende konfigurasjon) på toppen av et platinasubstrat.

Moiré supergitter

I eksperimentet deres, som de rapporterer i Nano Letters, fant Meyer og kolleger at grafen danner overbygninger kjent som moiré-supergitter. Disse strukturene er ikke lenger helt flate, og friksjonen de produserer skalerer seg på ulike måter avhengig av hastighetsregimet.

Ifølge atomistiske molekylær dynamiske simuleringer av Oded Hod og Michael Urbakhsine forskningsgrupper i Tel Aviv, kommer mekanismen bak effekten fra deformasjon ved toppene av moiré-supergitteret når spissen av AFM beveger seg langs grafen/platina-grensesnittet. Spissen induserer elastisk deformasjon når den skyver på mønet, etterfulgt av ryggavslapping ved løsrivelse fra tuppen når den glir fremover.

Ved lave AFM-skannehastigheter er friksjonskraften liten og forblir konstant (minner om makroskopisk oppførsel), forklarer Hod. Over en viss terskelhastighet øker den imidlertid logaritmisk. "Denne terskelen er lavere jo større størrelsen på moiré-overbygningen er, noe som gjør det mulig å justere cross-over-verdien via grensesnittets vrivinkel," sier Hod.

"En klar melding for praktiske anvendelser"

"Våre funn gir et klart budskap for praktiske anvendelser," legger Urbakh til. "For å oppnå ultralav friksjon ved bruk av todimensjonale materialbelegg, bør de forberedes på en måte for å produsere småskala moiré-mønstre."

Kvanteeffekter gjør magneten overraskende glatt

Forskerne sier at mekanismen de observerte også kan være relevant for polykrystallinske materialer, der korngrenser er tilstede. Disse planlegger de å studere nærmere i fremtidig arbeid. "I dette tilfellet domineres friksjonsenergispredning av bidraget fra korngrensene," forteller Hod Fysikkens verden. "Vi har til hensikt å finne måter å eliminere korngrensefriksjon, for eksempel ved å utforske unike negative friksjonskoeffisientregimer, der friksjonen reduseres med ytre normalbelastninger, i motsetning til vanlig fysisk intuisjon."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/friction-at-the-microscale-depends-unexpectedly-on-sliding-speed/