สถานะแรงเสียดทานต่ำทำให้ไมโครอ็อบเจ็กต์เคลื่อนที่ได้ง่ายขึ้น

หากคุณเคยมีปัญหาในการขยับเฟอร์นิเจอร์ชิ้นหนักๆ คุณอาจสังเกตเห็นว่าการหมุนเฟอร์นิเจอร์ไปพร้อมกับการผลักทำให้สิ่งต่างๆ ง่ายขึ้น นักวิจัยในเยอรมนีและอิตาลีได้ตรวจสอบปรากฏการณ์เดียวกันนี้ในไมโครสเกลแล้ว และในกระบวนการนี้ ได้ระบุสภาวะที่ควรยอมให้วัตถุขนาดเล็กเคลื่อนที่ผ่านพื้นผิวผลึกด้วยแรงบิดขั้นต่ำสุดเปลือยเปล่า การค้นพบทางทฤษฎีนี้ ซึ่งทีมสนับสนุนด้วยการทดลองบนทรงกลมแม่เหล็กขนาดเล็ก สามารถช่วยในการพัฒนาเครื่องไมโครและนาโนสำหรับการใช้งานในด้านต่างๆ เช่น หุ่นยนต์และการนำส่งยา

ในการเคลื่อนย้ายวัตถุ ไม่ว่าจะเล็กหรือใหญ่ ต้องใช้แรงเพื่อเอาชนะแรงเสียดทานการแปลสถิตกับพื้นผิวด้านล่าง นี่เป็นหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์ แต่ความสัมพันธ์ระหว่างความเสียดทานการแปลและการเสียดสีการหมุนนั้นซับซ้อน และมันจะยิ่งมากขึ้นไปอีกในมาตราส่วนความยาวขนาดเล็กที่พื้นผิวสัมผัสสามารถเกี่ยวข้องได้เพียงไม่กี่ร้อยอะตอม ในอุปกรณ์ขนาดนาโน แรงเสียดทานแปลเป็นปัญหาเฉพาะเนื่องจากอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่สูงหมายความว่าพื้นผิวของพวกมันจะสึกหรออย่างรวดเร็วและอาจเกาะติดกันตามธรรมชาติเมื่อสัมผัส

การเลียนแบบพื้นที่สัมผัสระหว่างพื้นผิวเรียบของอะตอมทั้งสอง

เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความเสียดทานการแปลแบบสถิตและแรงเสียดทานแบบหมุน สมาชิกของทีมที่นำโดย เคลเมนส์ เบจิงเกอร์ ของ มหาวิทยาลัยคอนสแตนซ์ ประเทศเยอรมนี เริ่มต้นด้วยการสร้างกระจุกผลึกของทรงกลมแม่เหล็กขนาดไมครอน จากนั้นพวกเขาจึงนำทรงกลมเหล่านี้ไปสัมผัสกับพื้นผิวที่มีโครงสร้างซึ่งมีช่องว่างเป็นระยะๆ เช่น กล่องไข่ การตั้งค่านี้เลียนแบบประเภทของการสัมผัสที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวเรียบของอะตอมทั้งสอง อธิบาย Xin Cao ผู้เขียนนำของบทความเกี่ยวกับงานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน การทบทวนทางกายภาพ X.

จากนั้นนักวิจัยจะหมุนกระจุกดาวโดยใช้สนามแม่เหล็กหมุน โดยเก็บอนุภาคทรงกลมประมาณ 10 ถึง 1000 อนุภาคจากแต่ละคลัสเตอร์ที่สัมผัสกับพื้นผิว แรงบิดขั้นต่ำที่จำเป็นในการทำให้คลัสเตอร์หมุนสอดคล้องกับแรงเสียดทานการหมุนแบบสถิตซึ่งนักวิจัยอธิบายว่าคล้ายกับแรงเสียดทานการแปลแบบสถิตซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของแรงขั้นต่ำที่จำเป็นในการผลักคลัสเตอร์

เมื่อการหมุนเกินเกณฑ์ที่กำหนด นักวิจัยพบว่าแรงเสียดทานสถิตลดลงอย่างมาก ทำให้เกิดสภาวะแรงเสียดทานสถิตต่ำมากสำหรับคลัสเตอร์ขนาดใหญ่มาก “สถานะแรงเสียดทานต่ำเช่นนี้ทำให้วัตถุขนาดเล็กสามารถหมุนได้โดยใช้แรงบิดเพียงเล็กน้อย และอาจมีความเกี่ยวข้องสูงสำหรับการประดิษฐ์และการทำงานของอุปกรณ์เชิงกลขนาดเล็ก ตั้งแต่อะตอมจนถึงไมโครสเกล ทำให้เราเข้าใกล้ โดยตระหนักถึงเครื่องจักรที่มีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น” เบชิงเกอร์กล่าว

การทับซ้อนของการแปลและการหมุน

“ภายใต้สถานการณ์ที่เป็นจริง การเคลื่อนที่ของวัตถุเป็นการซ้อนทับของการแปลและการหมุน” เขากล่าว โลกฟิสิกส์. “สำหรับการใช้งานหลายอย่าง สิ่งสำคัญคือต้องทราบความต้านทานแรงเสียดทานที่มาพร้อมกับการเคลื่อนไหวดังกล่าว เนื่องจากความเสียดทานใช้พลังงานและอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของอุปกรณ์ ไม่ค่อยมีใครรู้จักเกี่ยวกับความเสียดทานในการหมุน ต่างจากแรงเสียดทานการแปล แต่ตอนนี้เราได้พูดถึงเรื่องหลังในการศึกษาของเราแล้ว”

จนถึงตอนนี้ นักวิจัยได้มุ่งเน้นไปที่พื้นผิวที่มีระยะสมบูรณ์ “ในการทำงานในอนาคตของเรา เราจะแนะนำข้อบกพร่อง ซึ่งยังปรากฏอยู่ในหลายสถานการณ์” Bechinger กล่าว