Hvis du noen gang har slitt med å flytte et tungt møbel, har du sannsynligvis lagt merke til at det blir lettere å rotere møblet mens du skyver det. Forskere i Tyskland og Italia har nå undersøkt dette samme fenomenet på mikroskala og i prosessen identifisert forholdene som skal tillate mikroskopiske objekter å snurre over en krystallinsk overflate med et minimum av dreiemoment. Dette teoretiske funnet, som teamet støttet opp med eksperimenter på bittesmå magnetiske kuler, kan hjelpe utviklingen av mikro- og nanomaskiner for applikasjoner innen områder som robotikk og medikamentlevering.
For å flytte et objekt – enten det er stort eller lite – må man bruke en kraft for å overvinne dens statiske translasjonsfriksjon med den underliggende overflaten. Dette er et grunnleggende prinsipp for mekanikk, men forholdet mellom translasjons- og rotasjonsfriksjon er komplekst, og det blir enda mer på ørsmå lengdeskalaer der kontaktflatene kan involvere så lite som noen få hundre atomer. I enheter i nanostørrelse er translasjonsfriksjon et spesielt problem fordi deres høye forhold mellom overflateareal og volum betyr at overflatene deres raskt slites ut og til og med spontant kan feste seg sammen når de kommer i kontakt.
Etterligner kontaktområdet mellom to atomisk flate overflater
For å studere forholdet mellom statisk translasjons- og rotasjonsfriksjon, medlemmer av et team ledet av Clemens Bechinger av Universitetet i Konstanz, Tyskland begynte med å lage krystallinske klynger av magnetiske kuler i mikronstørrelse. De brakte deretter disse kulene i kontakt med en strukturert overflate som inneholder periodiske brønner som en eggekartong. Dette oppsettet etterligner typen kontakt som oppstår mellom to atomisk flate overflater, forklarer Xin Cao, en hovedforfatter av en artikkel om forskningen publisert i Fysisk gjennomgang X.
Forskerne roterte deretter klyngene ved hjelp av et roterende magnetfelt, og holdt rundt 10 til 1000 sfæriske partikler fra hver klynge i kontakt med overflaten. Minimumsmomentet som kreves for å få klyngen til å rotere tilsvarer den statiske rotasjonsfriksjonen, som forskerne forklarer ligner den statiske translasjonsfriksjonen som karakteriserer minimumskraften som kreves for å skyve klyngen.
Friksjon gjør de tunge løftene i tau og garn
Når rotasjonen overstiger en viss terskel, fant forskerne at statisk friksjon avtar dramatisk, noe som gir en tilstand av ultralav statisk friksjon for veldig store klynger. "En slik lavfriksjonstilstand gjør at mikroskopiske objekter kan settes i rotasjon ved å bruke et minimalt dreiemoment og kan være svært relevant for fremstilling og funksjon av små mekaniske enheter - fra atom til mikroskala - og bringer oss nærmere å realisere mindre og mer effektive maskiner, sier Bechinger.
En superposisjon av translasjon og rotasjon
"Under alle realistiske omstendigheter er bevegelsen til objekter en superposisjon av translasjon og rotasjon," forteller han Fysikkens verden. "For mange bruksområder er det viktig å kjenne til friksjonsmotstanden som er ledsaget av slike bevegelser fordi friksjon forbruker energi og kan til og med føre til feil på enheter. I motsetning til translasjonsfriksjon, er lite kjent om rotasjonsfriksjon, men vi har nå tatt opp sistnevnte i vår studie."
Så langt har forskerne fokusert på perfekt periodiske overflater. "I vårt fremtidige arbeid vil vi introdusere defekter, som også er tilstede under mange omstendigheter," sier Bechinger.
