Technologische beperkingen hebben het bestuderen van wrijving op atomaire schaal moeilijk gemaakt, maar onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania en de Universiteit van Californië, Merced, hebben nu op twee fronten vooruitgang geboekt in die zoektocht.

Door een echte atoomkrachtmicroscoop te versnellen en een simulatie van één te vertragen, het team heeft de eerste experimenten op atomaire schaal uitgevoerd op wrijving met overlappende snelheden.

De studie werd geleid door afgestudeerde student Xin-Zhou Liu en professor en afdelingsvoorzitter Robert Carpick, beide van de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica in Penn's School of Engineering and Applied Science, en Ashlie Martini, universitair hoofddocent aan de UC Merced's School of Engineering, met Zhijiang Ye, een afgestudeerde student aan UC Merced. Yalin Dong, een voormalig lid van Martini's onderzoeksgroep, en Philip Egberts, toen lid van Carpick's onderzoeksgroep, ook bijgedragen aan het onderzoek.

Hun studie werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Een fenomeen dat bekend staat als "stick-slip wrijving" is heel vaak betrokken bij glijden op zowel de macro- als de atomaire schaal. De weerstand die gepaard gaat met wrijving is het product van atomaire contactpunten tussen twee objecten die tijdelijk aan elkaar worden geplakt, waar ze blijven totdat de uitgeoefende kracht voldoende elastische energie levert om die punten uit elkaar te laten vallen. Deze punten glijden dan weg totdat ze weer vast komen te zitten. Op atomaire schaal, knelpunten treden op voor elke zich herhalende reeks atomen langs de glijrichting.

Het bestuderen van de atomaire interacties die ten grondslag liggen aan stick-slip wrijving is inherent moeilijk omdat de contactpunten worden verdoezeld doordat ze vlak tegen elkaar liggen. Om dit probleem te omzeilen, wrijvingsonderzoekers gebruiken vaak de punt van een atoomkrachtmicroscoop, of AFM, een ultragevoelig instrument dat nanonewton-krachten kan meten, als een van de aanspreekpunten. Omdat een AFM-tip ongeveer hetzelfde werkt als een platennaald, onderzoekers kunnen de wrijving meten die de punt ervaart terwijl deze over het oppervlak wordt gesleept. Wrijvingsonderzoekers gebruiken ook simulaties, die de dynamiek van alle individuele atomen kan modelleren.

"Een krachtige aanpak is om experimenten te combineren met simulaties, "Lou zei, "Maar het grootste probleem om dit in het verleden te doen, was dat de glijsnelheden waarmee de experimenten en de simulaties worden uitgevoerd niet overeenkomen."

De kwaliteit van de metingen in een AFM-experiment hangt af van het isoleren van de tip van eventuele verdwaalde trillingen, dus traditioneel slepen onderzoekers de punt heel langzaam, het snelst ongeveer een micrometer per seconde bewegen. Om dit experiment in een simulatie te matchen, de individuele atomen van de punt en het oppervlak zijn gemodelleerd op een computer, en de virtuele tip wordt over dezelfde afstand gesleept als de echte AFM-tip.

Dit geeft een probleem, echter, omdat, om de impact van individuele atomen vast te leggen, elk frame in de simulaties moet worden berekend in femtoseconde stappen. Een computer die een miljoen stappen per seconde verwerkt, zou ongeveer 30 jaar nodig hebben om de micrometer-per-seconde snelheid van het echte AFM-experiment te simuleren.

"Dat betekent dezelfde afstand in een kortere tijd, we moeten de modeltip veel verplaatsen, veel sneller, ' zei Martini.

Met de glijdende snelheid van de virtuele tips die een miljoen keer sneller beginnen dan de fysieke, de onderzoekers besloten elkaar in het midden te ontmoeten. Het UC Merced-contingent werkte aan het vertragen van de tip in hun simulaties, terwijl hun tegenhangers bij Penn manieren ontwikkelden om hun fysieke experimenten te versnellen.

Omdat traditionele motoren AFM-tips niet kunnen verplaatsen met de nanoscopische precisie die nodig is voor hun experimenten, de punt en de cantilever waarop het is gemonteerd, worden aangedreven door een piëzo-elektrische plaat. De bovenste laag van dit type plaat schuift zijdelings weg van de onderste laag wanneer een bepaalde spanning wordt aangelegd, de cantilever en de tip over een monsteroppervlak duwen.

"Voor de resolutie die nodig is voor onze studie over atomaire wrijving, de scanner in een commerciële AFM kan maar een paar honderd nanometer per seconde bereiken, " zei Carpick. "Dat is een intrinsieke beperking van het instrument; als je over die topsnelheid gaat, je krijgt grote trillingen in je signaal. Onze oplossing was om een ​​zeer compacte piëzo-schuifplaat te maken en deze te gebruiken om het monster te verplaatsen in plaats van de punt."

Door het monster te verplaatsen, een dunne film van goud gecoat op een siliconen dobbelsteen, in plaats van de punt die wordt aangedreven door een veel zwaardere scanner, het Penn-team was in staat om de algehele snelheid van het experiment radicaal te verhogen. Met lagere massa, de kleinere plaat kan sneller bewegen zonder luidruchtige oscillaties te veroorzaken.

"De relatieve beweging is hetzelfde, "Lou zei, "maar dit betekent dat we duizend keer sneller kunnen gaan dan voorheen met behoud van de resolutie die we nodig hebben. We moesten ook geheel nieuwe elektronica toevoegen om de gegevens vast te leggen, omdat niemand het eerder zo snel heeft moeten opnemen."

Terwijl het Penn-team hun systemen aan het versnellen was, het UC Merced-team vertraagde hen. De onderzoekers daar maakten gebruik van de relatief lange perioden van inactiviteit waarbij de tip vastzat, wachtend op genoeg energie om naar voren te glippen. Een deel van deze energie wordt geleverd door de relatieve beweging van het monster tegen de punt, maar de willekeurige trillingen van de betrokken atomen, als gevolg van thermische energie, kan de glijdende overgang sneller of langzamer laten plaatsvinden.

"Dat erkennen, ’ zei Martini, "geeft ons de mogelijkheid om een ​​reeks simulatietools te gebruiken voor zogenaamde 'infrequente gebeurtenissystemen'. Dit zijn hulpmiddelen om deze zeldzame gebeurtenissen sneller te laten plaatsvinden terwijl de onderliggende fysica behouden blijft."

Met behulp van een techniek die bekend staat als "parallelle replicadynamica, " Martini's groep gebruikte het feit dat de kans op een van deze zeldzame gebeurtenissen hetzelfde is, of er nu één simulatie werd uitgevoerd voor duizend femtoseconden of duizend simulaties werden uitgevoerd voor elk één femtoseconde. Het uitvoeren van identieke simulaties op zoveel mogelijk processors, zouden de onderzoekers ze allemaal stoppen zodra er een virtuele tip weggleed, synchroniseer vervolgens de simulaties op dat punt en start ze allemaal opnieuw.

"Hierdoor kunnen we de duur van de simulatie effectief verlengen door deze in de tijd te parallelliseren, "zei Martini. "Je verhoogt de simulatietijd en daarmee de snelheid van de modeltip met een factor van het aantal processors dat je hebt."

Door de tipsnelheden in de fysieke en virtuele experimenten op elkaar af te stemmen, de onderzoekers konden een tot nu toe theoretisch verschil aantonen tussen macroschaal en atomaire slip-stick wrijving. Snelheid speelt meestal geen rol in de hoeveelheid wrijving die objecten op macroschaal tegenkomen, maar op atomaire schaal zou de vibratie van individuele atomen als gevolg van thermische energie een rol kunnen spelen. De onderzoekers toonden aan dat deze trillingen wrijving tegengaan door de punt naar voren te laten glijden, maar slechts tot op zekere hoogte. Bij voldoende hoge snelheden, de punt zit niet lang genoeg vast om een ​​"boost" te krijgen van thermische energie.

"Het onderzoeken en begrijpen van het effect van wrijving bij de snelheden in ons experiment is belangrijk, "Lou zei, " omdat ze veel dichter bij onze huidige en toekomstige technische toepassingen liggen, zoals micro- en nanomechanische apparaten, zullen ervaren dan wat we normaal kunnen doen met een atoomkrachtmicroscoop."

"Deze studie, "Carpick zei, "biedt nu veel mogelijkheden voor het gebruik van de volledige atomaire inzichten die beschikbaar zijn in atomistische simulaties om de resultaten van experimentele studies betrouwbaar te interpreteren. We zijn optimistisch dat dit uiteindelijk zal leiden tot algemene en praktische inzichten om te begrijpen, controle en vermindering van wrijving en slijtage."