Если вам когда-нибудь приходилось передвигать тяжелую мебель, вы, вероятно, замечали, что вращение мебели во время ее толкания облегчает задачу. Исследователи в Германии и Италии теперь исследовали это же явление на микроуровне и в процессе определили условия, которые должны позволить микроскопическим объектам вращаться по поверхности кристалла с минимальным крутящим моментом. Этот теоретический вывод, который команда подкрепила экспериментами с крошечными магнитными сферами, может помочь в разработке микро- и наномашин для применения в таких областях, как робототехника и доставка лекарств.
Чтобы сдвинуть объект — будь то большой или маленький — нужно приложить силу, чтобы преодолеть его статическое поступательное трение с подстилающей поверхностью. Это основной принцип механики, однако взаимосвязь между поступательным и вращательным трением сложна, и она становится еще более сложной на крошечных масштабах длины, когда контактирующие поверхности могут включать всего несколько сотен атомов. В наноразмерных устройствах поступательное трение представляет собой особую проблему, потому что их высокое отношение площади поверхности к объему означает, что их поверхности быстро изнашиваются и могут даже самопроизвольно слипаться при контакте.
Имитация области контакта между двумя атомарно плоскими поверхностями
Чтобы изучить взаимосвязь между статическим поступательным и вращательным трением, члены группы под руководством Клеменс Бехингер Констанцский университет, Германия начал с создания кристаллических кластеров магнитных сфер микронного размера. Затем они привели эти сферы в контакт со структурированной поверхностью, содержащей периодически расположенные лунки, такие как коробка для яиц. Эта установка имитирует тип контакта, который происходит между двумя атомарно плоскими поверхностями, объясняет Синь Цао, ведущий автор статьи об исследовании, опубликованной в Физический обзор X.
Затем исследователи вращали кластеры с помощью вращающегося магнитного поля, удерживая от 10 до 1000 сферических частиц из каждого кластера в контакте с поверхностью. Минимальный крутящий момент, необходимый для вращения кластера, соответствует статическому вращательному трению, которое, как объясняют исследователи, похоже на статическое поступательное трение, характеризующее минимальную силу, необходимую для толкания кластера.
Трение делает тяжелую работу в канатах и пряже
Как только вращение превышает определенный порог, исследователи обнаружили, что статическое трение резко уменьшается, создавая состояние сверхнизкого статического трения для очень больших кластеров. «Такое состояние с низким коэффициентом трения позволяет приводить во вращение микроскопические объекты с минимальным крутящим моментом и может иметь большое значение для изготовления и функционирования небольших механических устройств — от атомарного до микромасштаба — приближая нас к создание более компактных и эффективных машин», — говорит Бехингер.
Суперпозиция переноса и вращения
«При любых реальных обстоятельствах движение объектов представляет собой суперпозицию перемещения и вращения», — говорит он. Мир физики. «Для многих приложений важно знать сопротивление трению, которое сопровождается таким движением, потому что трение потребляет энергию и может даже привести к выходу из строя устройств. В отличие от поступательного трения, мало что известно о вращательном трении, но теперь мы рассмотрели последнее в нашем исследовании».
До сих пор исследователи сосредоточились на идеально периодических поверхностях. «В нашей будущей работе мы внесем дефекты, которые также присутствуют во многих случаях», — говорит Бехингер.
