Om du någonsin har kämpat för att flytta en tung möbel, har du förmodligen märkt att det blir lättare att rotera möbeln samtidigt som du trycker på den. Forskare i Tyskland och Italien har nu undersökt samma fenomen i mikroskalan och i processen identifierat de förhållanden som bör tillåta mikroskopiska föremål att snurra över en kristallin yta med ett absolut minimum av vridmoment. Denna teoretiska upptäckt, som teamet backade upp med experiment på små magnetiska sfärer, kan hjälpa utvecklingen av mikro- och nanomaskiner för tillämpningar inom områden som robotik och läkemedelsleverans.
För att flytta ett föremål – vare sig det är stort eller litet – måste man applicera en kraft för att övervinna dess statiska translationella friktion med den underliggande ytan. Detta är en grundläggande princip för mekanik, men förhållandet mellan translationell och rotationsfriktion är komplext, och det blir ännu mer så på små längdskalor där kontaktytorna kan involvera så lite som några hundra atomer. I nanostora enheter är translationell friktion ett särskilt problem eftersom deras höga förhållande mellan ytarea och volym innebär att deras ytor snabbt slits ut och kan till och med spontant klibba ihop när de kommer i kontakt.
Efterliknar kontaktytan mellan två atomärt plana ytor
För att studera sambandet mellan statisk translationell och roterande friktion, medlemmar i ett team ledd av Clemens Bechinger av Universitetet i Konstanz, Tyskland började med att göra kristallina kluster av magnetiska sfärer i mikronstorlek. De förde sedan dessa sfärer i kontakt med en strukturerad yta som innehöll periodiskt åtskilda brunnar som en äggkartong. Denna uppställning efterliknar den typ av kontakt som uppstår mellan två atomärt plana ytor, förklarar Xin Cao, en huvudförfattare till en artikel om forskningen publicerad i Fysisk granskning X.
Forskarna roterade sedan klustren med hjälp av ett roterande magnetfält och höll omkring 10 till 1000 sfäriska partiklar från varje kluster i kontakt med ytan. Det minsta vridmoment som krävs för att få klustret att rotera motsvarar den statiska rotationsfriktionen, som forskarna förklarar liknar den statiska translationsfriktion som kännetecknar den minsta kraft som krävs för att trycka klustret.
Friktion gör det tunga lyftet i rep och garn
När rotationen överstiger en viss tröskel, fann forskarna att den statiska friktionen minskar dramatiskt, vilket ger ett tillstånd av ultralåg statisk friktion för mycket stora kluster. "Ett sådant tillstånd med låg friktion tillåter att mikroskopiska föremål ställs in i rotation genom att applicera ett minimalt vridmoment och kan vara mycket relevant för tillverkning och funktion av små mekaniska enheter - från atomär till mikroskalan - vilket för oss närmare till att förverkliga mindre och effektivare maskiner, säger Bechinger.
En superposition av translation och rotation
"Under alla realistiska omständigheter är objektens rörelse en överlagring av translation och rotation", säger han Fysikvärlden. "För många applikationer är det viktigt att känna till friktionsmotståndet som åtföljs av sådan rörelse eftersom friktion förbrukar energi och kan till och med leda till fel på enheter. Till skillnad från translationell friktion är lite känt om rotationsfriktion, men vi har nu tagit upp det senare i vår studie."
Hittills har forskarna fokuserat på perfekt periodiska ytor. "I vårt framtida arbete kommer vi att introducera defekter, som också finns under många omständigheter", säger Bechinger.
