Enkle metaoverflater gir kontroll over friksjon ved materialgrensesnitt – Physics World

En ny teknikk for å finjustere friksjonskrefter i grenseflatene mellom ulike materialer er utviklet av forskere i Frankrike. Julien Scheibert og kolleger ved University of Lyon brukte enkle og lett justerbare metasurfaces for å lage spesifikke friksjonskoeffisienter i grensesnittet mellom glass- og elastomerprøver.

Fra berøringsskjermer til robothender er friksjonskontakter en nøkkelkomponent i mange moderne enheter. For å optimere ytelsen, må designere etablere tett kontroll over friksjonskreftene ved materialgrensesnitt. Men til tross for århundrer med nøye undersøkelser, har vi fortsatt ikke en pålitelig metode for å forutsi friksjonskoeffisienten over et gitt grensesnitt.

Den største vanskeligheten med å forstå friksjon er det store mangfoldet av teksturer som finnes på overflater. Størrelsen på overflatefunksjonene kan spenne over flere størrelsesordener: fra atom- til millimeterskalaer. Siden alle disse funksjonene kan påvirke friksjonen mellom to overflater, er det ofte utrolig vanskelig å beregne friksjonskoeffisienter ut fra første prinsipper.

For tiden er det to hovedteknikker for å optimalisere friksjonen mellom overflater. En metode er å ganske enkelt velge et par materialer som opplever riktig mengde friksjon. Imidlertid er det ofte slik at disse materialene ikke har de andre egenskapene – termiske, elektriske etc. – som kreves for en spesifikk applikasjon.

Dårlig forståelse

"Den andre teknikken er å lage kunstige mikroteksturer på overflatene," forklarer Scheibert. «Men fordi forholdet mellom tekstur og friksjon forblir dårlig forstått, blir passende teksturer vanligvis først identifisert etter lange og kostbare eksperimentelle kampanjer.»

I studien deres forbedret Scheiberts team den mikroteksturelle tilnærmingen ved å bruke veldig enkle metaoverflater som består av firkantede matriser med sfæriske hetter. Hver hette kan gis en bestemt høyde i forhold til de andre hettene (se figur).

"Under disse forholdene kan [friksjons]-responsen til grensesnittet modelleres nøyaktig, og listen over høyder som tilbyr den målrettede friksjonsatferden kan bestemmes før du faktisk produserer overflatene," forklarer Scheibert. På denne måten kunne teamet konstruere forskjellige teksturer for å oppnå ønsket nivå av grensesnittfriksjon på første forsøk.

Forskerne testet deres tilnærming ved å utarbeide metaoverflater på centimeterstore prøver av en gummilignende elastomer. Hver overflate hadde et gitter med 64 sfæriske hetter laget av elastomer. Høyden som hver hette stikker ut fra overflaten er satt individuelt, slik at teamet kan lage en rekke forskjellige metaoverflater.

Friksjon måles ved å plassere et flatt stykke glass på toppen av metasflaten og trykke ned mens du drar glasset langs metasflaten. Ved å justere strukturen til metasflatene på en systematisk måte, kunne spesifikke friksjonskoeffisienter opprettes ved grensesnittet.

To forskjellige friksjonskoeffisienter

Tilnærmingen fungerte uten behov for første-prinsippberegninger av friksjonskrefter, og uten å endre noen egenskaper til selve materialene. «Enda mer, vi har forberedt kontakter med to forskjellige friksjonskoeffisienter, som avhenger av komprimeringsnivået som brukes på grensesnittet – en oppførsel som er svært sjelden i naturen,» legger Scheibert til.

Friksjon gjør de tunge løftene i tau og garn

Med denne raske og rimelige tilnærmingen var Scheiberts team i stand til å reprodusere en rekke kjente friksjonslover i sine eksperimenter: inkludert lineære lover, der koeffisientfriksjonen forblir konstant når skjærkreftene øker over grensesnittet; og mer komplekse ikke-lineære lover, hvor denne koeffisienten varierer med skjærkraft.

Etter hvert som de forbedrer teknikken sin ytterligere, ser forskerne for seg et bredt spekter av bruksområder for deres justerbare metasurface-tilnærming. "Å lage kontaktgrensesnitt som samsvarer med en spesifisert friksjonsadferd er den hellige gral i tribologi," sier Scheibert.

«Vår designstrategi gir nye verktøy for å utarbeide slike friksjonsgrensesnitt. Dette kan potensielt åpne opp muligheter innen ulike utfordrende felt, fra sport til myk robotikk. Hvis de er utstyrt med sensorer og aktuatorer, holder metagrensesnittene våre til og med løftet om smarte kontaktgrensesnitt med friksjonsinnstilling i sanntid.»

Forskningen er beskrevet i Vitenskap.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/