简单的超表面可以控制材料界面的摩擦 – 物理世界

法国研究人员开发了一种微调不同材料之间界面摩擦力的新技术。 朱利安·沙伯特 和里昂大学的同事使用简单且易于调节的超表面在玻璃和弹性体样品之间的界面处产生特定的摩擦系数。

从触摸屏到机器人手，摩擦接触是许多现代设备的关键组件。为了优化其性能，设计人员需要严格控制材料界面处的摩擦力。然而，尽管经过几个世纪的仔细研究，我们仍然没有可靠的方法来预测任何给定界面上的摩擦系数。

理解摩擦的主要困难在于表面纹理的多样性。表面特征的尺寸可以跨越几个数量级：从原子级到毫米级。由于所有这些特征都会影响两个表面之间的摩擦，因此根据第一原理计算摩擦系数通常非常困难。

目前，有两种主要技术来优化表面之间的摩擦。一种方法是简单地选择一对能够承受适当摩擦力的材料。然而，通常情况下，这些材料不具备特定应用所需的其他性能（热性能、电性能等）。

理解力差

“第二种技术是在表面创建人造微观纹理，”沙伊伯特解释道。 “但是，由于对纹理和摩擦之间的关系仍然知之甚少，因此通常只有在经过长期且昂贵的实验活动后才能确定合适的纹理。”

在他们的研究中，沙伊伯特的团队通过使用由球形帽方形阵列组成的非常简单的超表面来改进微纹理方法。每个盖子可以相对于其他盖子指定特定的高度（见图）。

“在这些条件下，可以准确地对界面的[摩擦]响应进行建模，并且可以在实际制造表面之前确定提供目标摩擦行为的高度列表，”Scheibert 解释道。通过这种方式，团队可以设计不同的纹理，以在第一次尝试时达到所需的界面摩擦水平。

研究人员通过在厘米大小的类橡胶弹性体样品上制备超表面来测试他们的方法。每个表面都有一个由 64 个由弹性体制成的球形帽组成的网格。每个盖子从表面突出的高度都是单独设置的，允许团队创建一系列不同的超表面。

通过将一块平坦的玻璃放置在超表面顶部并向下推，同时沿着超表面拖动玻璃来测量摩擦力。通过系统地调整超表面的结构，可以在界面处产生特定的摩擦系数。

两种不同的摩擦系数

该方法不需要摩擦力的第一原理计算，也不需要改变材料本身的任何特性。 “更重要的是，我们准备了具有两种不同摩擦系数的触点，这取决于施加在界面上的压缩程度——这种行为在自然界中非常罕见，”沙伊伯特补充道。

摩擦力在绳索和纱线中起重作用

通过这种快速且经济实惠的方法，沙伊伯特的团队能够在实验中重现各种已知的摩擦定律：包括线性定律，其中随着界面上剪切力的增加，摩擦系数保持恒定；以及更复杂的非线性定律，其中该系数随剪切力变化。

随着他们进一步改进技术，研究人员设想了他们的可调节超表面方法的广泛应用。 “创建与特定摩擦行为相匹配的接触界面是摩擦学的圣杯，”Scheibert 说。

“我们的设计策略为准备此类摩擦界面提供了新工具。这可能会在从体育到软机器人等各种具有挑战性的领域带来机遇。如果进一步配备传感器和执行器，我们的元接口甚至可以实现具有实时摩擦调节功能的智能接触接口。”

该研究描述于 科学.

• SEO 支持的内容和 PR 分发。 今天得到放大。
• PlatoData.Network 垂直生成人工智能。 赋予自己力量。 访问这里。
• 柏拉图爱流。 Web3 智能。 知识放大。 访问这里。
• 柏拉图ESG。 碳， 清洁科技, 能源， 环境， 太阳能， 废物管理。 访问这里。
• 柏拉图健康。 生物技术和临床试验情报。 访问这里。
• Sumber: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/