(Phys.org)—Wanneer nanodeeltjes grafiet tegen elkaar schuiven, er kan vrijwel geen wrijving tussen hen zijn. Voor vele jaren, superlage wrijving, of "supersmering, " was bekend dat het alleen op nanoschaal bestond. Toen, in 2012, wetenschappers demonstreerden voor het eerst supersmering buiten de nanoschaal toen ze het fenomeen ontdekten in grafiet ter grootte van een micrometer. Voortbouwend op dit en aanverwant onderzoek, wetenschappers in een nieuwe studie hebben nu theoretisch aangetoond dat superlage wrijving zich kan uitstrekken tot een lengte van tientallen centimeters.

In de nieuwe studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekers Ming Ma, et al., hebben theoretisch de maximale lengte onderzocht van een keten van deeltjes die superlubriciteit vertoont. Hun model laat zien dat deze kritische lengte afhangt van de experimentele parameters en de eigenschappen van het materiaal, vooral zijn stijfheid. Voor zeer stijve materialen, zoals koolstof nanobuisjes, de wetenschappers ontdekten dat supersmering tot tientallen centimeters kan aanhouden, waarna het abrupt verdwijnt.

"Deze resultaten geven een weg aan voor het bereiken van superlage wrijving op macroschaal, en kan mogelijk helpen bij het rationele ontwerp van superlubrische materialen voor nanomechanische toepassingen, "Michael Urbach, een professor aan de Universiteit van Tel Aviv en een van de hoofdauteurs van de studie, vertelde Phys.org .

Zoals de wetenschappers uitleggen, superlage wrijving is afhankelijk van een speciale rangschikking van atomen op het oppervlak van een materiaal. in grafiet, bijvoorbeeld, de oppervlakte-atomen hebben een hobbelige zeshoekige opstelling zoals eierdozen/dozen. In bepaalde oriëntaties, twee oppervlakken van grafiet kunnen zo in elkaar grijpen dat de "hobbels" moeiteloos langs elkaar kunnen schuiven, en wrijving daalt tot bijna nul.

In tegenstelling tot, wanneer dezelfde stukken grafiet lichtjes ten opzichte van elkaar worden gedraaid, hun oppervlakte-atomen kunnen niet langer gemakkelijk schuiven, en de materialen vertonen de bekende effecten van wrijving.

Dit soort verandering in geometrische configuratie kan de abrupte overgang tussen de wrijvingsloze en wrijvingsregimes in de modellen van de onderzoekers verklaren. Een kortere nanobuis, of ketting, vertoont supersmering omdat de deeltjes niet bij elkaar passen, of onevenredig, met de onderliggende substraatatomen. Omdat de atomen elkaar niet in elkaar grijpen, de ketting glijdt gemakkelijk over het oppervlak. Maar voor een langere keten, een mechanische instabiliteit veroorzaakt een roosteraanpassing aan de voorrand van de ketting. Als resultaat, de deeltjes worden geregistreerd, of evenredig, met de atomen in het substraatrooster, en de wrijving neemt plotseling toe.

Uit de simulaties van de onderzoekers bleek ook dat de kritische ketenlengte een scherpe grens vormt tussen twee fasen op basis van interdeeltjesafstand:de afstand tussen deeltjes is kleiner in de kortere keten dan in de langere keten. Op precies de kritische lengte, een abrupte sprong in deze afstand vindt plaats, samen met de abrupte sprong in wrijving.

Door een beter begrip van supersmering en zijn limieten, de onderzoekers hopen het effect op een zo groot mogelijke schaal uit te breiden. Superlubricity zou zeer nuttig kunnen zijn voor het ontwerpen van systemen op nanoschaal met lage slijtage, en het zou nog nuttiger kunnen zijn als het zou kunnen worden uitgebreid tot grotere schalen.

"De uitdaging hier is om de grootte van de glijdende objecten op te schalen zonder de perfecte eierdoosgeometrie te verliezen die nodig is voor supersmering, " zei co-auteur Andrea Vanossi van het CNR-IOM Democritos National Simulation Center en de International School for Advanced Studies (SISSA), zowel in Triëst, Italië. "Normaal gesproken, als de grootte van de objecten groeit, gebreken en onvolkomenheden spelen een rol. Alleen recentelijk, dankzij de indrukwekkende vooruitgang in de synthesetechnieken, is het mogelijk geweest om foutloos te produceren, atomair perfecte langwerpige nanostructuren zoals koolstofnanobuisjes, grafeen nanoribbons, en geconjugeerde polymeren. Zodra het mogelijk is om twee grootschalige, geometrisch perfecte oppervlakken wrijven zonder wrijving tegen elkaar, en om dit materiaal als coating aan te brengen op kogellagers en bewegende machinedelen, er komen enorme besparingen op het gebied van energie, het verbruik van hulpbronnen, en onderhoud."

De onderzoekers werken momenteel aan het uitbreiden van hun benadering om mechanismen te begrijpen die superlage wrijving tussen 3D-materialen beperken.

© 2015 Fys.org