如果您曾经费力地移动一件沉重的家具，您可能会注意到，在推动家具的同时旋转家具会让事情变得更容易。德国和意大利的研究人员现在已经在微观尺度上研究了同样的现象，并在此过程中确定了允许微观物体以最小扭矩在晶体表面上旋转的条件。该团队通过微小磁球实验支持了这一理论发现，可以帮助开发用于机器人和药物输送等领域的微型和纳米机器。
要移动物体（无论大小），必须施加力来克服其与下表面的静态平移摩擦力。这是力学的基本原理，但平移摩擦和旋转摩擦之间的关系很复杂，在微小的长度尺度上更是如此，接触表面可能只涉及几百个原子。在纳米尺寸的设备中，平移摩擦是一个特殊的问题，因为它们的高表面积与体积比意味着它们的表面很快就会磨损，甚至在接触时可能会自发地粘在一起。
模拟两个原子级平坦表面之间的接触面积
为了研究静态平移和旋转摩擦之间的关系，由 克莱门斯·贝辛格 的 德国康斯坦茨大学 首先制造微米级磁球的晶体簇。然后，他们将这些球体与包含周期性间隔的孔（例如鸡蛋盒）的结构化表面接触。该研究论文的主要作者 Xin Cao 解释说，这种设置模仿了两个原子级平坦表面之间发生的接触类型。 物理评论X.
然后研究人员使用旋转磁场旋转簇，使每个簇中大约 10 到 1000 个球形颗粒与表面接触。使集群旋转所需的最小扭矩对应于静态旋转摩擦力，研究人员解释说，它类似于静态平移摩擦力，后者表征了推动集群所需的最小力。
摩擦力在绳索和纱线中起重作用
一旦旋转超过一定阈值，研究人员发现静摩擦力急剧下降，从而为非常大的团簇产生超低静摩擦状态。 “这种低摩擦状态允许通过施加最小的扭矩来使微观物体旋转，并且与小型机械设备的制造和功能高度相关 - 从原子到微观尺度 - 让我们更接近实现更小、更高效的机器，”Bechinger 说。
平移和旋转的叠加
“在任何现实情况下，物体的运动都是平移和旋转的叠加，”他说 物理世界。 “对于许多应用来说，了解伴随这种运动的摩擦阻力非常重要，因为摩擦会消耗能量，甚至可能导致设备故障。与平移摩擦不同，人们对旋转摩擦知之甚少，但我们现在已经在研究中解决了后者。”
到目前为止，研究人员主要关注完美周期性表面。 “在我们未来的工作中，我们将引入缺陷，这些缺陷在许多情况下也会存在，”Bechinger 说。
