Прості метаповерхні пропонують контроль над тертям на поверхні розділу матеріалів – Physics World

Дослідники у Франції розробили нову техніку для точного налаштування сил тертя на межах розділу між різними матеріалами. Жульєн Шайберт і його колеги з Ліонського університету використовували прості та легко регульовані метаповерхні для створення певних коефіцієнтів тертя на межі між зразками скла та еластомеру.

Від сенсорних екранів до роботизованих рук, фрикційні контакти є ключовим компонентом багатьох сучасних пристроїв. Щоб оптимізувати їх продуктивність, розробникам необхідно встановити жорсткий контроль над силами тертя на поверхні розділу матеріалів. Однак, незважаючи на століття ретельного дослідження, ми все ще не маємо надійного методу прогнозування коефіцієнта тертя через будь-яку задану межу.

Основна складність у розумінні тертя полягає в величезній різноманітності текстур на поверхнях. Розмір поверхневих елементів може охоплювати кілька порядків величини: від атомного до міліметрового. Оскільки всі ці особливості можуть впливати на тертя між двома поверхнями, часто буває неймовірно важко обчислити коефіцієнти тертя з перших принципів.

В даний час існує дві основні методи оптимізації тертя між поверхнями. Один із методів полягає в тому, щоб просто вибрати пару матеріалів, які мають потрібну силу тертя. Однак часто буває так, що ці матеріали не мають інших властивостей – теплових, електричних тощо – які необхідні для конкретного застосування.

Погане розуміння

«Друга техніка полягає у створенні штучних мікротекстур на поверхнях», — пояснює Шайберт. «Але оскільки взаємозв’язок між текстурою та тертям залишається погано вивченим, відповідні текстури зазвичай визначають лише після тривалих і дорогих експериментальних кампаній».

У своєму дослідженні команда Шайберта вдосконалила мікротекстурний підхід, використовуючи дуже прості метаповерхні, які складаються з квадратних масивів сферичних кришок. Кожній кришці можна надати певну висоту відносно інших кришок (див. малюнок).

«У цих умовах реакцію [на тертя] інтерфейсу можна точно змоделювати, а список висот, які забезпечують цільову поведінку тертя, можна визначити до фактичного виготовлення поверхонь», — пояснює Шайберт. Таким чином команда могла створювати різні текстури для досягнення бажаного рівня міжфазного тертя з першої спроби.

Дослідники перевірили свій підхід, підготувавши метаповерхні на сантиметрових зразках гумоподібного еластомеру. Кожна поверхня мала решітку з 64 сферичних ковпачків з еластомеру. Висота, на якій кожна кришка виступає з поверхні, встановлюється окремо, що дозволяє команді створювати ряд різних метаповерхонь.

Тертя вимірюється шляхом розміщення плоского шматка скла на метаповерхні та натискання вниз, перетягуючи скло вздовж метаповерхні. Шляхом систематичного регулювання структури метаповерхонь можна створити певні коефіцієнти тертя на межі розділу.

Два різних коефіцієнта тертя

Цей підхід працював без будь-якої потреби в початкових розрахунках сил тертя та без зміни будь-яких властивостей самих матеріалів. «Навіть більше, ми підготували контакти з двома різними коефіцієнтами тертя, які залежать від рівня стиснення, застосованого до інтерфейсу — поведінка, яка є дуже рідкісною в природі», — додає Шайберт.

Тертя виконує важку роботу з мотузками та пряжею

За допомогою цього швидкого та доступного підходу команда Шайберта змогла відтворити різноманітні відомі закони тертя у своїх експериментах: включаючи лінійні закони, де коефіцієнт тертя залишається постійним, оскільки сила зсуву зростає через межу розділу; і більш складні нелінійні закони, де цей коефіцієнт змінюється залежно від сили зсуву.

По мірі подальшого вдосконалення своєї техніки дослідники передбачають широкий спектр застосувань для свого регульованого підходу до метаповерхні. «Створення контактних інтерфейсів, що відповідають заданій поведінці тертя, є Святим Граалем у трибології», — говорить Шайберт.

«Наша стратегія проектування надає нові інструменти для підготовки таких фрикційних інтерфейсів. Це потенційно може відкрити можливості в різних складних сферах, від спорту до м’якої робототехніки. У разі додаткового оснащення датчиками та приводами наші метаінтерфейси навіть обіцяють інтелектуальні контактні інтерфейси з налаштуванням тертя в реальному часі».

Дослідження описано в наука.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/