Dacă v-ați chinuit vreodată să mutați o piesă de mobilier grea, probabil ați observat că rotirea mobilierului în timp ce o împingeți face lucrurile mai ușoare. Cercetătorii din Germania și Italia au investigat acum același fenomen la microscală și, în acest proces, au identificat condițiile care ar trebui să permită obiectelor microscopice să se rotească pe o suprafață cristalină cu un cuplu minim. Această descoperire teoretică, pe care echipa a susținut-o cu experimente pe sfere magnetice minuscule, ar putea ajuta la dezvoltarea de micro- și nano-mașini pentru aplicații în domenii precum robotica și livrarea de medicamente.
Pentru a muta un obiect – fie el mare sau mic – trebuie să aplicați o forță pentru a depăși frecarea sa de translație statică cu suprafața de dedesubt. Acesta este un principiu de bază al mecanicii, totuși relația dintre frecarea translațională și cea rotațională este complexă și devine și mai mult pe scale de lungimi mici, unde suprafețele de contact pot implica doar câteva sute de atomi. În dispozitivele nanodimensionate, frecarea translațională este o problemă deosebită, deoarece raporturile lor mari suprafață-volum înseamnă că suprafețele lor se uzează rapid și chiar se pot lipi spontan pe măsură ce intră în contact.
Imitând zona de contact dintre două suprafețe plane atomic
Pentru a studia relația dintre frecarea statică de translație și rotație, membrii unei echipe conduse de Clemens Bechinger a Universitatea din Konstanz, Germania a început prin a face clustere cristaline de sfere magnetice de mărimea micronilor. Apoi au adus aceste sfere în contact cu o suprafață structurată care conține godeuri distanțate periodic, precum o cutie de ouă. Această configurație imită tipul de contact care are loc între două suprafețe plane atomic, explică Xin Cao, autorul principal al unei lucrări despre cercetarea publicată în Revizuirea fizică X.
Cercetătorii au rotit apoi clusterele folosind un câmp magnetic rotativ, menținând aproximativ 10 până la 1000 de particule sferice din fiecare cluster în contact cu suprafața. Cuplul minim necesar pentru a face clusterul să se rotească corespunde frecării statice de rotație, despre care cercetătorii explică că este similară cu frecarea statică de translație care caracterizează forța minimă necesară pentru a împinge clusterul.
Frecarea face ridicarea grele în frânghii și fire
Odată ce rotația depășește un anumit prag, cercetătorii au descoperit că frecarea statică scade dramatic, producând o stare de frecare statică ultrascăzută pentru clustere foarte mari. „O astfel de stare de frecare redusă permite ca obiectele microscopice să fie puse în rotație prin aplicarea unei cantități minime de cuplu și poate fi extrem de relevantă pentru fabricarea și funcționarea dispozitivelor mecanice mici – de la atomic la micro-scara – apropiindu-ne de realizând mașini mai mici și mai eficiente”, spune Bechinger.
O suprapunere de translație și rotație
„În orice circumstanțe realiste, mișcarea obiectelor este o suprapunere a translației și rotației”, spune el. Lumea fizicii. „Pentru multe aplicații, este important să cunoaștem rezistența la frecare care este însoțită de o astfel de mișcare, deoarece frecarea consumă energie și poate duce chiar la defectarea dispozitivelor. Spre deosebire de frecarea de translație, se știe puține despre frecarea de rotație, dar acum am abordat aceasta din urmă în studiul nostru.”
Până acum, cercetătorii s-au concentrat pe suprafețe perfect periodice. „În munca noastră viitoare, vom introduce defecte, care sunt, de asemenea, prezente în multe circumstanțe”, spune Bechinger.
