Jeśli kiedykolwiek zmagałeś się z przesunięciem ciężkiego mebla, prawdopodobnie zauważyłeś, że obracanie mebla podczas pchania ułatwia sprawę. Naukowcy z Niemiec i Włoch zbadali teraz to samo zjawisko w mikroskali i w trakcie tego procesu określili warunki, które powinny umożliwić obracanie się mikroskopijnych obiektów po powierzchni krystalicznej z minimalnym momentem obrotowym. To teoretyczne odkrycie, które zespół poparł eksperymentami na maleńkich kulkach magnetycznych, może pomóc w opracowaniu mikro- i nanomaszyn do zastosowań w dziedzinach takich jak robotyka i dostarczanie leków.
Aby przesunąć obiekt – czy to duży, czy mały – należy przyłożyć siłę, aby przezwyciężyć jego statyczne tarcie translacyjne o podłoże. Jest to podstawowa zasada mechaniki, jednak związek między tarciem translacyjnym i obrotowym jest złożony, a staje się jeszcze bardziej złożony w niewielkich skalach długości, gdzie stykające się powierzchnie mogą obejmować zaledwie kilkaset atomów. W przypadku urządzeń o rozmiarach nano, tarcie translacyjne stanowi szczególny problem, ponieważ ich wysoki stosunek powierzchni do objętości oznacza, że ich powierzchnie szybko się zużywają i mogą nawet spontanicznie sklejać się ze sobą w kontakcie.
Naśladując obszar kontaktu między dwiema atomowo płaskimi powierzchniami
Aby zbadać związek między statycznym tarciem translacyjnym i rotacyjnym, członkowie zespołu kierowanego przez Klemensa Bechingera ukończenia Uniwersytet w Konstancji, Niemcy rozpoczęto od tworzenia krystalicznych skupisk kulek magnetycznych o rozmiarach mikronowych. Następnie zetknęli te kule z ustrukturyzowaną powierzchnią zawierającą okresowo rozmieszczone dołki, takie jak karton po jajkach. Ta konfiguracja naśladuje rodzaj kontaktu, który występuje między dwiema atomowo płaskimi powierzchniami, wyjaśnia Xin Cao, główny autor artykułu na temat badań opublikowanego w Przegląd fizyczny X.
Następnie badacze obrócili klastry za pomocą wirującego pola magnetycznego, utrzymując około 10 do 1000 kulistych cząstek z każdego klastra w kontakcie z powierzchnią. Minimalny moment obrotowy wymagany do obracania klastra odpowiada statycznemu tarciu rotacyjnemu, które, jak wyjaśniają naukowcy, jest podobne do statycznego tarcia translacyjnego, które charakteryzuje minimalną siłę wymaganą do popchnięcia klastra.
Tarcie wykonuje ciężkie podnoszenie lin i przędzy
Gdy rotacja przekroczy pewien próg, naukowcy odkryli, że tarcie statyczne dramatycznie spada, powodując stan bardzo niskiego tarcia statycznego dla bardzo dużych gromad. „Taki stan niskiego tarcia umożliwia obracanie mikroskopijnych obiektów poprzez przyłożenie minimalnego momentu obrotowego i może być bardzo istotny dla produkcji i funkcjonowania małych urządzeń mechanicznych – od atomowej do mikroskali – przybliżając nas do realizowanie mniejszych i bardziej wydajnych maszyn”, mówi Bechinger.
Superpozycja translacji i rotacji
„W każdych realistycznych okolicznościach ruch obiektów jest superpozycją translacji i obrotu” – mówi Świat Fizyki. „Dla wielu zastosowań ważna jest znajomość oporów tarcia, które towarzyszą takiemu ruchowi, ponieważ tarcie zużywa energię i może nawet prowadzić do awarii urządzeń. W przeciwieństwie do tarcia translacyjnego niewiele wiadomo o tarciu rotacyjnym, ale teraz zajęliśmy się tym ostatnim w naszym badaniu”.
Do tej pory badacze koncentrowali się na idealnie okresowych powierzchniach. „W naszej przyszłej pracy wprowadzimy wady, które również występują w wielu okolicznościach” – mówi Bechinger.
