Onderzoekers van Skoltech hebben uitgelegd waarom zeer zwakke wrijving andere wetten gehoorzaamt dan de wetten die reguliere wrijving beheersen, zoals we die kennen uit de natuurkunde op school. Naast andere onverwachte en contra-intuïtieve kenmerken onthullen de alternatieve wrijvingswetten die door het team zijn geformuleerd, waarom het verhogen van het gewicht van een lichaam dat over een oppervlak glijdt, niet noodzakelijkerwijs grotere wrijving veroorzaakt.

Begrijpen hoe wrijving op microscopisch niveau werkt, zou de weg kunnen vrijmaken voor het beheersen en exploiteren van ultralage wrijving in tal van mechanismen die wereldwijd enorme hoeveelheden energie zouden besparen. De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in Physical Review Letters .

Tot op zekere hoogte heeft iedereen een intuïtief gevoel voor de zogenaamde wrijvingswet van Amontons-Coulomb, waarvan we de manifestaties routinematig waarnemen in het dagelijks leven. Het werd meer dan 300 jaar geleden geformuleerd en zegt dat wrijving, die bijvoorbeeld ontstaat wanneer je een zwaar lichaam over de grond sleept, toeneemt met het gewicht van het lichaam. Er wordt gezegd dat de twee waarden – de wrijvingskracht en het lichaamsgewicht – recht evenredig met elkaar zijn.

"Verrassend genoeg geldt deze wet niet voor supergladheid, het geval van extreem lage wrijving", zegt Skoltech-professor Nikolay Brilliantov, de hoofdonderzoeker van het onderzoek.

‘Supersmerende wrijving, die ordes van grootte kleiner is dan conventionele wrijving, is niet afhankelijk van het lichaamsgewicht, om het simpel te zeggen. Je kunt het gewicht van het lichaam duizenden keren verhogen – bijvoorbeeld van een kilogram tot een paar ton. —maar de wrijving zal niet veranderen en blijft zo klein als 1 kilogram. Dit fenomeen is echt intrigerend en vraagt ​​om een ​​verklaring."

Er zijn nog een paar andere verrassende kenmerken van supersmeervermogen, zoals de ongebruikelijke afhankelijkheid van de wrijvingskracht van de glijsnelheid, temperatuur en contactoppervlak. Dit alles druist in tegen de conventionele wetten van Amontons-Coulomb.

Een team van onderzoekers van Skoltech onder leiding van Brilliantov heeft het raadsel van supergladheid opgelost. Ze voerden een complexe studie uit, met experimenten uitgevoerd door de groep van professor Albert Nasibulin, numerieke simulaties uitgevoerd door onderzoekswetenschapper Alexey Tsukanov uit de groep van Brilliantov, en de theoretische conceptualisering van het fenomeen geleverd door Brilliantov zelf.

Het team legde het atomistische mechanisme uit achter de raadselachtige onafhankelijkheid van de wrijvingskracht van het gewicht van het glijdende lichaam (van de 'normale belasting', in wetenschappelijke termen) en formuleerde alternatieve wrijvingswetten voor supergladheid. Ze beschrijven het fenomeen goed, maar staan ​​in schril contrast met de wetten van Amontons-Coulomb.

In eenvoudige bewoordingen kunnen de raadselachtige effecten als volgt worden verklaard. Supergladheid wordt geassocieerd met oppervlakken die zeer glad zijn, tot op atomair niveau, zoals het oppervlak van het op koolstof gebaseerde materiaal grafeen. Bovendien moet het contact van de twee oppervlakken niet evenredig zijn. Dat betekent dat de ruwheid op atomair niveau (ook wel golving genoemd) van de twee oppervlakken niet onderling coherent mag zijn.

Met andere woorden:de potentiële "heuvels" van het ene oppervlak mogen niet passen in de potentiële "putten" van het andere. Als de "heuvels" en "putten" passen, klikken de twee oppervlakken in elkaar en is er een aanzienlijke kracht nodig om ze te laten glijden. Ongelijkmatige oppervlakken vergrendelen daarentegen niet en glijden daarom gemakkelijk.

Toch kan er wrijving ontstaan ​​als gevolg van thermische schommelingen. De fluctuaties buiten het vlak van de contactoppervlakken vergroten merkbaar hun ruwheid op atomair niveau, wat de relatieve beweging van de twee oppervlakken belemmert.

De Skoltech-onderzoekers hebben echter aangetoond dat niet alle thermische fluctuaties belangrijk zijn, alleen die fluctuaties die synchroon lopen, wanneer de twee oppervlakken tegelijkertijd buigen, terwijl ze in nauw contact blijven. Dergelijke schommelingen vereisen minimale energie en zijn niet afhankelijk van de normale belasting, dat wil zeggen het gewicht van het glijlichaam. Dit verklaart waarom wrijving onafhankelijk is van het gewicht. Bovendien drijft het relatieve glijden van de oppervlakken deze synchrone fluctuaties – de ‘oppervlakterimpels’ – in de bewegingsrichting met de glijsnelheid.

Voor een dergelijke aandrijving is energie nodig, die in het grootste deel van het materiaal als warmte verdwijnt, wat resulteert in een dissipatieve wrijvingskracht die evenredig is met de snelheid.

Hoe groter de temperatuur van de oppervlakken, hoe groter de amplitude van de synchrone fluctuaties. Hoe groter het contactoppervlak, hoe groter het aantal oppervlaktefluctuaties die de relatieve beweging belemmeren. Kwantitatieve analyse van deze effecten levert de respectieve wetten van supergladheid op die in het artikel worden vermeld.

Meer informatie: Nikolay V. Brilliantov et al, Atomistisch mechanisme van wrijvingskrachtonafhankelijkheid op de normale belasting en andere wrijvingswetten voor dynamische structurele supergladheid, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.266201

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie