Preproste metapovršine ponujajo nadzor nad trenjem na materialnih vmesnikih – Svet fizike

Raziskovalci v Franciji so razvili novo tehniko za fino uravnavanje tornih sil na vmesnikih med različnimi materiali. Julien Scheibert in kolegi na Univerzi v Lyonu so uporabili preproste in enostavno nastavljive metapovršine, da bi ustvarili specifične koeficiente trenja na vmesniku med vzorci stekla in elastomera.

Od zaslonov na dotik do robotskih rok so torni kontakti ključni sestavni del številnih sodobnih naprav. Da bi optimizirali njihovo delovanje, morajo oblikovalci vzpostaviti strog nadzor nad tornimi silami na materialnih vmesnikih. Vendar kljub stoletjem skrbnega raziskovanja še vedno nimamo zanesljive metode za napovedovanje koeficienta trenja na katerem koli vmesniku.

Glavna težava pri razumevanju trenja je velika raznolikost tekstur na površinah. Velikost površinskih značilnosti lahko obsega več velikosti: od atomskih do milimetrskih lestvic. Ker lahko vse te značilnosti vplivajo na trenje med dvema površinama, je pogosto neverjetno težko izračunati torne koeficiente iz prvih principov.

Trenutno obstajata dve glavni tehniki za optimizacijo trenja med površinami. Ena od metod je, da preprosto izberete par materialov, ki imajo pravo količino trenja. Vendar se pogosto zgodi, da ti materiali nimajo drugih lastnosti – toplotnih, električnih itd. – ki so potrebne za določeno uporabo.

Slabo razumevanje

»Druga tehnika je ustvarjanje umetnih mikrotekstur na površinah,« pojasnjuje Scheibert. "A ker je razmerje med teksturo in trenjem še vedno slabo razumljeno, se primerne teksture običajno identificirajo šele po dolgih in dragih eksperimentalnih kampanjah."

V svoji študiji je Scheibertova ekipa izboljšala mikroteksturni pristop z uporabo zelo preprostih metapovršin, ki obsegajo kvadratne nize sferičnih pokrovčkov. Vsakemu pokrovčku lahko dodelite določeno višino glede na druge pokrovčke (glejte sliko).

»V teh pogojih je [torni] odziv vmesnika mogoče natančno modelirati in seznam višin, ki ponuja ciljno trenje, je mogoče določiti pred dejansko izdelavo površin,« pojasnjuje Scheibert. Na ta način je ekipa lahko izdelala različne teksture, da bi dosegla želeno stopnjo medfaznega trenja v prvem poskusu.

Raziskovalci so preizkusili svoj pristop s pripravo metapovršin na centimetrskih vzorcih gumi podobnega elastomera. Vsaka površina je imela mrežo 64 sferičnih pokrovčkov iz elastomera. Višina, na kateri vsak pokrov štrli iz površine, je nastavljena posamično, kar ekipi omogoča, da ustvari vrsto različnih metapovršin.

Trenje se meri tako, da se na metapovršino položi ploščat kos stekla in kozarec med vlečenjem po metapovršini pritisnete navzdol. S prilagajanjem strukture metapovršin na sistematičen način bi lahko na vmesniku ustvarili specifične koeficiente trenja.

Dva različna koeficienta trenja

Pristop je deloval brez kakršne koli potrebe po prvotnih izračunih tornih sil in brez spreminjanja lastnosti samih materialov. "Še več, pripravili smo kontakte z dvema različnima koeficientoma trenja, ki sta odvisna od stopnje kompresije, uporabljene na vmesniku – obnašanje, ki je v naravi zelo redko," dodaja Scheibert.

Trenje dviguje težo pri vrveh in preji

S tem hitrim in cenovno dostopnim pristopom je Scheibertova ekipa v svojih poskusih lahko reproducirala različne znane zakone trenja: vključno z linearnimi zakoni, kjer koeficient trenja ostane konstanten, ko se strižne sile povečajo čez vmesnik; in bolj zapleteni nelinearni zakoni, kjer se ta koeficient spreminja s strižno silo.

Ko bodo svojo tehniko še izboljšali, raziskovalci predvidevajo široko paleto aplikacij za njihov nastavljiv pristop metapovršine. »Ustvarjanje kontaktnih vmesnikov, ki ustrezajo določenemu trenju, je sveti gral v tribologiji,« pravi Scheibert.

»Naša strategija načrtovanja zagotavlja nova orodja za pripravo takšnih frikcijskih vmesnikov. To bi lahko potencialno odprlo priložnosti na različnih zahtevnih področjih, od športa do mehke robotike. Če so dodatno opremljeni s senzorji in aktuatorji, naši metavmesniki celo obljubljajo pametne kontaktne vmesnike s sprotnim prilagajanjem trenja.«

Raziskava je opisana v Znanost.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/