in de natuurkunde, het is nuttig om zo precies mogelijk te weten hoe wrijvingsverschijnselen ontstaan ​​- en niet alleen op macroscopische schaal, zoals in de werktuigbouwkunde, maar ook op microscopische schaal, op gebieden als biologie en nanotechnologie. Het is vrij moeilijk om wrijving te bestuderen op de atoomschaal waar niet-lineaire effecten de overhand hebben.

Wetenschappers van het QUEST-instituut van de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hebben nu een modelsysteem gepresenteerd dat het mogelijk maakt om wrijvingseffecten op atomaire schaal en wrijvingsdynamiek te onderzoeken die vergelijkbaar zijn met die in eiwitten, DNA-strengen en andere vervormbare nanocontacten. Dit modelsysteem bestaat uit lasergekoelde ionen die zich rangschikken in Coulomb-kristallen. De onderzoekers hebben experimenten en numerieke simulaties uitgevoerd en nieuwe fundamentele bevindingen verkregen over wrijvingsprocessen in deze atomaire systemen. Ze hebben hun resultaten nu gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

De meeste macroscopische objecten hebben een ruwe textuur vanuit een atomair gezichtspunt. Zelfs als ze zacht aanvoelen, ze vertonen oneffenheden. Strikt gesproken, twee objecten liggen nooit direct op elkaar, maar raken elkaar alleen bij deze oneffenheden. De atomaire roosterstructuur speelt dus geen rol in deze interactie. Dit is heel anders voor objecten op atomaire schaal, zoals nanomachines of biomoleculen. "Hier, atomair gladde oppervlakken raken elkaar. Het oppervlak speelt dus ook een rol en moet in de modelberekeningen worden meegenomen, " legt PTB-natuurkundige Tanja E. Mehlstäubler uit. "Deze modellen verklaren ook fascinerende fenomenen zoals supersmering, waar statische wrijving bijna niet meer bestaat. Het treedt op wanneer twee kristallijne oppervlakken niet in verhouding staan ​​tot elkaar. Dit betekent dat de verhouding van de roosterafstanden van de glijvlakken irrationeel is. Dit leidt ertoe dat er geen plaats is waar de twee oppervlakken exact op elkaar passen."

Er zijn dus genoeg redenen om wrijving op nanoschaal precies te meten en de dynamiek ervan te onderzoeken. Er bestaat al een krachtig instrument voor het meten van wrijving, de wrijvingskrachtmicroscoop. "Directe experimentele toegang tot de dynamiek van een wrijvingssysteem is bijna onmogelijk. Modelsystemen waarin de atomen gemakkelijk kunnen worden gecontroleerd - zowel tijdelijk als ruimtelijk - zijn daarom onmisbaar. Dit stelt ons in staat om ze te onderzoeken, " legt Mehlstäubler uit. Een dergelijk systeem is nu gepresenteerd door de wetenschappers van PTB, samen met hun partners uit Sydney. Ytterbium-ionen die in een ionenval worden bewaard, worden door middel van lasers zo ver (tot enkele millikelvins) gekoeld dat ze een kristal vormen dat uit twee ketens bestaat. De ionen rangschikken zich zo dat de naaste buur altijd zo ver mogelijk weg is. Deze structuur wordt een zigzag genoemd.

Twee van dergelijke ionenketens zijn een zeer nauwkeurige weergave van de twee partners van een wrijvingsproces - en ze zijn gemakkelijk heel precies waar te nemen. Wanneer ytterbium-ionen worden bestraald met licht waarvan de frequentie dicht bij hun resonantiefrequentie ligt, ze beginnen te fluoresceren. "We zijn dus in staat om de individuele atomaire deeltjes in hun beweging te observeren door onze beeldvormende optica, " voegt Jan Kiethe toe, een natuurkundige bij PTB en de hoofdauteur van de studie. Een overgang tussen twee verschillende fasen, die werd veroorzaakt door de aanwezigheid van een structureel roosterdefect, is hier waargenomen en geanalyseerd. In een van de regimes statische wrijving is de hoofdrolspeler in de transportdynamiek; in het andere regime, het is glijdende wrijving.

De dynamiek van de ionenketens is vergelijkbaar met die van molecuulketens zoals DNA. In hun studie hebben de wetenschappers hebben een fysiek modelsysteem gecreëerd om de complexe dynamiek van wrijving in 1-D te onderzoeken, 2D- en 3D-systemen met atomaire precisie. Bovendien, dit modelsysteem heeft de weg vrijgemaakt voor het onderzoek naar transportverschijnselen in het kwantumregime.