Nếu bạn đã từng phải vật lộn để di chuyển một món đồ nội thất nặng, bạn có thể nhận thấy rằng việc xoay đồ đạc trong khi đẩy nó giúp mọi thứ trở nên dễ dàng hơn. Các nhà nghiên cứu ở Đức và Ý hiện đã nghiên cứu hiện tượng tương tự này trên quy mô vi mô và trong quá trình đó, xác định các điều kiện cho phép các vật thể vi mô quay trên bề mặt tinh thể với mô-men xoắn cực tiểu. Phát hiện lý thuyết này, được nhóm nghiên cứu hỗ trợ bằng các thí nghiệm trên các quả cầu từ tính nhỏ, có thể hỗ trợ sự phát triển của các máy vi mô và nano cho các ứng dụng trong các lĩnh vực như chế tạo người máy và phân phối thuốc.
Để chuyển động một vật - dù lớn hay nhỏ - người ta phải tác dụng một lực để khắc phục ma sát tịnh tiến của nó với bề mặt bên dưới. Đây là một nguyên lý cơ bản của cơ học, tuy nhiên mối quan hệ giữa ma sát tịnh tiến và ma sát quay rất phức tạp, và nó thậm chí còn trở nên nhiều hơn trên các quy mô chiều dài nhỏ, nơi các bề mặt tiếp xúc có thể chứa ít nhất vài trăm nguyên tử. Trong các thiết bị nano, ma sát tịnh tiến là một vấn đề đặc biệt vì tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao có nghĩa là bề mặt của chúng nhanh chóng bị mòn và thậm chí có thể tự nhiên dính vào nhau khi chúng tiếp xúc.
Bắt chước vùng tiếp xúc giữa hai bề mặt phẳng nguyên tử
Để nghiên cứu mối quan hệ giữa ma sát tịnh tiến và quay, các thành viên của nhóm do Clemens Bechinger của Đại học Konstanz, Đức bắt đầu bằng cách tạo ra các cụm tinh thể của các quả cầu từ có kích thước micromet. Sau đó, họ đưa những quả cầu này tiếp xúc với một bề mặt có cấu trúc chứa các giếng có khoảng cách định kỳ giống như một thùng trứng. Xin Cao, tác giả chính của bài báo về nghiên cứu đăng trên Đánh giá vật lý X.
Sau đó, các nhà nghiên cứu quay các cụm bằng cách sử dụng từ trường quay, giữ cho khoảng 10 đến 1000 hạt hình cầu từ mỗi cụm tiếp xúc với bề mặt. Mômen xoắn tối thiểu cần thiết để làm cho cụm quay tương ứng với ma sát quay tĩnh, mà các nhà nghiên cứu giải thích tương tự như ma sát tịnh tiến đặc trưng cho lực tối thiểu cần thiết để đẩy cụm.
Ma sát làm nâng vật nặng trong dây thừng và sợi
Một khi vòng quay vượt quá một ngưỡng nhất định, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng ma sát tĩnh giảm đáng kể, tạo ra trạng thái ma sát tĩnh cực thấp cho các cụm rất lớn. “Trạng thái ma sát thấp như vậy cho phép các vật thể cực nhỏ quay bằng cách áp dụng một lượng mô-men xoắn tối thiểu và có thể liên quan nhiều đến việc chế tạo và vận hành các thiết bị cơ khí nhỏ - từ nguyên tử đến quy mô vi mô - đưa chúng ta đến gần hơn Bechinger nói.
Sự chồng chất của dịch và xoay
“Trong bất kỳ hoàn cảnh thực tế nào, chuyển động của các vật thể là sự chồng chất của phép tịnh tiến và chuyển động quay,” anh nói Thế giới vật lý. “Đối với nhiều ứng dụng, điều quan trọng là phải biết lực cản ma sát đi kèm với chuyển động như vậy vì ma sát tiêu thụ năng lượng và thậm chí có thể dẫn đến hỏng hóc thiết bị. Không giống như ma sát tịnh tiến, người ta biết rất ít về ma sát quay, nhưng chúng tôi hiện đã đề cập đến vấn đề thứ hai trong nghiên cứu của mình. "
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào các bề mặt hoàn hảo tuần hoàn. Bechinger nói: “Trong công việc tương lai của chúng tôi, chúng tôi sẽ đưa ra những khiếm khuyết, những khiếm khuyết cũng xuất hiện trong nhiều trường hợp.
