Якщо вам коли-небудь було важко пересунути важкий предмет меблів, ви, мабуть, помітили, що обертання меблів під час штовхання полегшує роботу. Дослідники з Німеччини та Італії зараз дослідили це саме явище на мікромасштабі та в процесі визначили умови, які повинні дозволяти мікроскопічним об’єктам обертатися по кристалічній поверхні з мінімальним крутним моментом. Це теоретичне відкриття, яке команда підтвердила експериментами з крихітними магнітними сферами, може допомогти в розробці мікро- та наномашин для застосування в таких сферах, як робототехніка та доставка ліків.
Щоб перемістити об’єкт – великий чи маленький – необхідно докласти силу, щоб подолати його статичне поступальне тертя об підстилаючу поверхню. Це основний принцип механіки, але взаємозв’язок між поступальним і обертальним тертям є складним, і він стає ще більш таким на крихітних масштабах довжини, де контактні поверхні можуть містити лише кілька сотень атомів. У нанорозмірних пристроях поступальне тертя є особливою проблемою, оскільки їх високе співвідношення площі поверхні до об’єму означає, що їх поверхні швидко зношуються і можуть навіть спонтанно злипатися, коли вони вступають у контакт.
Імітація площі контакту між двома атомарно плоскими поверхнями
Для дослідження зв’язку між статичним поступальним і обертальним тертям члени групи під керівництвом Клеменс Бехінгер в Університет Констанца, Німеччина почав із створення кристалічних кластерів мікронних магнітних сфер. Потім вони привели ці сфери в контакт зі структурованою поверхнею, що містить періодично розташовані лунки, як коробка для яєць. Ця установка імітує тип контакту, який виникає між двома атомно плоскими поверхнями, пояснює Сінь Цао, провідний автор статті про дослідження, опублікованої в Фізичний огляд X.
Потім дослідники обертали кластери за допомогою обертового магнітного поля, утримуючи від 10 до 1000 сферичних частинок з кожного кластера в контакті з поверхнею. Мінімальний крутний момент, необхідний для обертання кластера, відповідає статичному обертальному тертю, яке, як пояснюють дослідники, подібне до статичного поступального тертя, яке характеризує мінімальну силу, необхідну для штовхання кластера.
Тертя виконує важку роботу з мотузками та пряжею
Як тільки обертання перевищує певний поріг, дослідники виявили, що статичне тертя різко зменшується, створюючи стан наднизького статичного тертя для дуже великих кластерів. «Такий стан із низьким тертям дозволяє обертати мікроскопічні об’єкти, прикладаючи мінімальний крутний момент, і може бути дуже актуальним для виготовлення та функціонування невеликих механічних пристроїв – від атомних до мікромасштабів – наближаючи нас до створюючи менші й ефективніші машини», — говорить Бехінгер.
Суперпозиція трансляції та повороту
«За будь-яких реалістичних обставин рух об’єктів є суперпозицією трансляції та обертання», — каже він. Світ фізики. «Для багатьох застосувань важливо знати опір тертю, який супроводжується таким рухом, оскільки тертя споживає енергію і може навіть призвести до поломки пристроїв. На відміну від поступального тертя, про обертове тертя мало що відомо, але зараз ми розглянули останнє в нашому дослідженні».
Поки що дослідники зосереджувалися на ідеально періодичних поверхнях. «У нашій майбутній роботі ми представимо дефекти, які також присутні за багатьох обставин», — говорить Бехінгер.
