Wrijving ontstaat wanneer twee oppervlakken op elkaar schuiven. Omdat dit extra energie kost, deze zogenaamde glijdende wrijving wordt beschouwd als een vervelend maar onvermijdelijk aspect van dynamische processen. Echter, om een ​​stilstaand object in beweging te zetten, de statische wrijving moet eerst worden overwonnen. In samenwerking met hun Italiaanse collega's, onderzoekers van de Universiteit van Konstanz hebben aangetoond hoe statische wrijving tussen twee oppervlakken volledig kan worden onderdrukt. Dit betekent dat zelfs een minuscule kracht voldoende is om objecten in beweging te brengen. Vooral in micromechanische onderdelen, waar slechts kleine krachten in het spel zijn, een verdwijnende statische wrijving kan leiden tot enorm verbeterde efficiëntieniveaus. Deze bevindingen zijn gepubliceerd in de huidige editie van het online tijdschrift Fysieke beoordeling X ( PRX ).

Om een ​​blok hout over een tafel te verplaatsen, moet je eraan trekken. Toen Leonardo da Vinci deze bedrieglijk eenvoudige relatie meer dan 500 jaar geleden systematisch onderzocht, hij ontdekte de basiswetten van glijdende wrijving. Aangezien glijdende wrijving meestal warmte genereert, men moet constant aan het stuk hout trekken om wrijvingsverliezen te compenseren. Echter, om in de eerste plaats beweging te genereren, het is geen glijdende wrijving maar statische wrijving die moet worden overwonnen. Statische wrijving is typisch groter dan glijdende wrijving en een resultaat van de atomaire structuur van de contactoppervlakken die op hun plaats vergrendelen. De oppervlakken kunnen zich pas losmaken en tegen elkaar bewegen als de uitgeoefende kracht voldoende niveaus heeft bereikt.

Werken met natuurkundigen van de universiteiten van Milaan en Triëst, een werkgroep van de Universiteit van Konstanz onder leiding van professor Clemens Bechinger was in staat om experimenten en numerieke simulaties uit te voeren die een voorspelling van de natuurkundige Serge Aubry in de jaren tachtig bevestigden:hij stelde dat, als de roosterafstand tussen deeltjes in het ene oppervlak iets zou verschillen van de roosterafstand in het andere, wrijving tussen de twee oppervlakken moet volledig verdwijnen. Dit zal naar verwachting zelfs het geval zijn als de twee oppervlakken tegen elkaar worden gedrukt. In praktische termen, dit zou betekenen dat een willekeurig kleine kracht voldoende zou zijn om een ​​stuk hout met een gewicht van tonnen over een oppervlak te verplaatsen.

Dit effect is vooral goed waar te nemen in ideale contacten, waarbij beide oppervlakken perfect vlak tegen elkaar liggen. Het zijn dit soort oppervlakken die Clemens Bechinger en zijn team in een modelsysteem hebben kunnen creëren:met behulp van laserstralen en glazen bollen in het micrometerbereik, zogenaamde colloïden, ze waren in staat om een ​​tweedimensionaal model te maken van twee oppervlakken die tegen elkaar wrijven. Omdat de elektrisch geladen bollen elkaar afstoten, ze positioneren zich in een periodiek geordende vlakke laag. Deze colloïde monolaag vormt een van de twee oppervlakken. De onderzoekers creëerden het tweede oppervlak onder de laag colloïden met behulp van drie laserstralen. Als gevolg van hun superpositie vormt zich een licht kristal, dat is een soort optische eierkist met uitsparingen en ribbels. "In vergelijking met echte oppervlakken, deze optische oppervlakken hebben als bijkomend voordeel dat ze volledig transparant zijn, wat betekent dat we de processen tussen hen direct kunnen observeren met behulp van een microscoop, " zegt Thorsten Brazda, de promovendus die voor zijn proefschrift de experimenten in de groep van Bechinger uitvoerde.

Terwijl Aubry zijn voorspelling beperkte tot eendimensionale contacten bij nulpunttemperaturen, de onderzoekssamenwerking kon bewijzen dat uitgebreide, tweedimensionale contacten bij kamertemperatuur kunnen ook zonder statische wrijving in beweging worden gebracht. "We waren in staat om Aubry's kunstmatige eendimensionale opstelling om te zetten in een realistische situatie en aan te tonen dat zijn idee geldig blijft in tweedimensionale systemen en bij eindige temperaturen, ' zegt Clemens Bechinger.

Door deeltjesbewegingen direct te observeren, konden de onderzoekers ook het verdwijnen van statische wrijving tussen de colloïde monolaag en het lichtkristal begrijpen:het blijkt dat de colloïdale monolaag heel licht kronkelt ten opzichte van het optische raster. Op die manier, de deeltjes hechten niet aan de uitsparingen van het substraat, waaraan ze niet gemakkelijk zouden kunnen ontsnappen. In plaats daarvan, sommigen van hen positioneren zich rond de richels. Als er externe kracht wordt uitgeoefend, deze deeltjes hoeven niet uit de uitsparingen te ontsnappen, maar zijn vrij om direct te bewegen zodra er een minimale hoeveelheid kracht wordt uitgeoefend. Statische wrijving verdwijnt.

deze resultaten, die uitstekend overeenkomen met de numerieke simulaties die door het Italiaanse team zijn uitgevoerd, laten zien dat statische wrijving niet alleen onderdrukt kan worden, maar ook naar wens gegenereerd als de contactdruk tussen de twee oppervlakken wordt verhoogd. Dit is belangrijk omdat statische wrijving – in tegenstelling tot glijdende wrijving – vaak een gewenst fenomeen is. Het stelt ons in staat om objecten veilig vast te pakken en zorgt ervoor dat wielen voldoende grip hebben. Deze manier van variërende statische wrijving creëert nieuwe mogelijkheden om objecten gemakkelijk over oppervlakken te verplaatsen en veilig op hun plaats te vergrendelen. Dit zou een enorm voordeel zijn in micro- en nanomechanische tandwielkasten of koppelingen, sinds, hier, meestal zijn er slechts zeer kleine krachten in het spel.