Wrijving is moeilijk te voorspellen en te beheersen, vooral omdat oppervlakken die in contact komen zelden perfect vlak zijn. Nieuwe experimenten tonen aan dat de hoeveelheid wrijving tussen twee siliciumoppervlakken, zelfs op grote schaal, wordt bepaald door het vormen en verbreken van microscopisch kleine chemische bindingen daartussen. Dit maakt het mogelijk om de hoeveelheid wrijving te beheersen met behulp van oppervlaktechemische technieken. Dit onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters .

"Er is een gebrek aan kwantitatief inzicht in wrijving, ondanks de cruciale rol ervan bij het aanpakken van uiteenlopende uitdagingen als het voorspellen van aardbevingen en het verminderen van het energieverbruik in mechanische apparaten", zegt Ph.D. onderzoeker Liang Peng, die het onderzoeksproject uitvoerde. Dit is geen kleinigheid:wrijving is naar schatting verantwoordelijk voor ruim 20% van ons mondiale energieverbruik. Het beheersen van wrijving in machines is ook belangrijk voor het verminderen van materiaalslijtage en het vergroten van de positioneringsprecisie.

Peng werkte samen met andere onderzoekers van het Institute of Physics en het Van 't Hoff Institute of Molecular Sciences van de Universiteit van Amsterdam, evenals het Advanced Research Center for Nanolithography (ARCNL). Het onderzoek maakt deel uit van een lopende samenwerking om te onderzoeken hoe grootschalige wrijving op microscopisch niveau ontstaat.

Dankzij nieuwe onderzoeksmethoden kunnen onderzoekers de afgelopen jaren inzoomen op wat er precies gebeurt als twee oppervlakken contact maken en over elkaar heen glijden. Cruciaal is dat oppervlakken nooit perfect glad zijn. Op de schaal van een nanometer, een miljardste van de grootte van een meter, zien ze eruit als bergachtige landschappen met uitgesproken pieken en dalen.

Eerdere experimenten en numerieke simulaties hebben aangetoond dat wrijving op deze kleine schaal grotendeels wordt bepaald door de vorming en verbreking van bindingen tussen oppervlakteatomen. Dit wordt niet alleen beïnvloed door de ruwheid van de glijoppervlakken, maar ook door de atomen of moleculen (zoals water) die op het grensvlak aanwezig zijn.

"We besloten deze nanowrijvingsmechanismen uit te breiden en toe te passen op grotere, industrieel relevante schaalniveaus", legt Peng uit. Met behulp van een speciaal instrument, een reometer genaamd, bestudeerden de onderzoekers hoe de hoeveelheid wrijving tussen een relatief ruwe siliciumbal en een gladde siliciumwafel afhangt van de dichtheid van microscopisch kleine chemische bindingen op het grensvlak. Silicium (Si) is een bijzonder interessant materiaal om te bestuderen dankzij het wijdverbreide gebruik ervan in de halfgeleiderindustrie. De overvloed ervan in de aardkorst maakt het ook relevant voor de studie van aardbevingen.

Na het reinigen van de oppervlakken van verontreinigingen ontdekten de onderzoekers dat er veel minder kracht nodig is om de bal over de wafer te laten glijden – met andere woorden, er is minder wrijving – wanneer de oppervlakken langer in puur stikstofgas worden gedroogd. Verdere experimenten lieten zien wat er gebeurt op atomair niveau:langer drogen vermindert het aantal hydroxylgroepen (OH) die aan het siliciumoppervlak worden blootgesteld. Wanneer ze in contact worden gebracht met een ander siliciumoppervlak, resulteert de aanwezigheid van deze groepen in de vorming van silicium-zuurstof-silicium (Si-O-Si) bindingen tussen de twee oppervlakken.

Het onderzoek toont aan dat er een opvallende relatie bestaat tussen de wrijvingskracht gemeten op grote schaal en de dichtheid van microscopische Si-OH-groepen die aanwezig zijn op de twee siliciumoppervlakken vóór contact, die het aantal Si-O-Si-bindingen bepaalt dat tijdens contact wordt gemaakt. De dichtheid van deze chemische bindingen wordt geregeld door de tijdsduur in te stellen gedurende welke de gereinigde oppervlakken worden gedroogd. Opwindend genoeg betekent dit dat het mogelijk is om de wrijvingskracht tussen siliciumoppervlakken te voorspellen en te controleren.

"Ons resultaat is behoorlijk opmerkelijk omdat het een kwantitatief begrip van macroscopische wrijving aantoont vanuit de eerste principes. Onze bevindingen kunnen dus de kenniskloof overbruggen die op begrip gebaseerde controle over wrijving belemmert", besluit Liang.

Meer informatie: Liang Peng et al., Controle van macroscopische wrijving door interfaciale siloxaanbinding, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.226201

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Universiteit van Amsterdam