Wrijving is overal om ons heen, werkt tegen de beweging van banden op bestrating, het krabbelen van een pen over papier, en zelfs de stroom van eiwitten door de bloedbaan. Wanneer twee oppervlakken met elkaar in contact komen, er is wrijving, behalve in zeer speciale gevallen waar wrijving in wezen verdwijnt - een fenomeen, bekend als "supersmering, " waarin vlakken gewoon zonder weerstand over elkaar schuiven.

Nu hebben natuurkundigen van het MIT een experimentele techniek ontwikkeld om wrijving op nanoschaal te simuleren. Door hun techniek te gebruiken, de onderzoekers zijn in staat om individuele atomen direct te observeren op het grensvlak van twee oppervlakken en hun rangschikking te manipuleren, het afstemmen van de hoeveelheid wrijving tussen de oppervlakken. Door de afstand van atomen op één oppervlak te veranderen, ze observeerden een punt waarop wrijving verdwijnt.

Vladan Vuletic, de Lester Wolfe hoogleraar natuurkunde aan het MIT, zegt dat het vermogen om wrijving af te stemmen nuttig zou zijn bij het ontwikkelen van nanomachines - kleine robots die zijn opgebouwd uit componenten ter grootte van enkele moleculen. Vuletic zegt dat op nanoschaal, wrijving kan een grotere kracht vereisen, bijvoorbeeld het veroorzaken van slijtage aan kleine motoren veel sneller dan op grotere schaal gebeurt.

"Er is een grote inspanning om wrijving te begrijpen en te beheersen, omdat het een van de beperkende factoren is voor nanomachines, maar er is relatief weinig vooruitgang geboekt bij het daadwerkelijk beheersen van wrijving op welke schaal dan ook, " zegt Vuletic. "Wat nieuw is in ons systeem is, voor het eerst op atomaire schaal, we kunnen deze overgang van wrijving naar supersmering zien."

vuletisch, samen met afgestudeerde studenten Alexei Bylinskii en Dorian Gangloff, publiceren hun resultaten vandaag in het tijdschrift Wetenschap .

Wrijving en krachtvelden

Het team simuleerde wrijving op nanoschaal door eerst twee oppervlakken te ontwerpen die in contact moeten worden gebracht:een optisch rooster, en een ionkristal.

Het optische rooster werd gegenereerd met behulp van twee laserstralen die in tegengestelde richtingen reizen, waarvan de velden optellen om een ​​sinusoïdaal periodiek patroon in één dimensie te vormen. Dit zogenaamde optische rooster is vergelijkbaar met een eierdoos, waarbij elke piek een maximale elektrische potentiaal vertegenwoordigt, terwijl elke trog een minimum vertegenwoordigt. Wanneer atomen door zo'n elektrisch veld reizen, ze worden aangetrokken door plaatsen met een minimaal potentieel - in dit geval de troggen.

Vuletic ontwierp vervolgens een tweede oppervlak:een ionkristal - in wezen, een raster van geladen atomen - om de effecten van wrijving te bestuderen, atoom voor atoom. Om het ionkristal te genereren, de groep gebruikte licht om te ioniseren, of opladen, neutrale ytterbiumatomen die uit een kleine verwarmde oven komen, en koelde ze vervolgens af met meer laserlicht tot net boven het absolute nulpunt. De geladen atomen kunnen vervolgens worden opgesloten met behulp van spanningen die worden aangelegd op nabijgelegen metalen oppervlakken. Eenmaal positief geladen, elk atoom stoot elkaar af via de zogenaamde "Coulomb-kracht". De afstoting houdt de atomen effectief uit elkaar, zodat ze een kristal- of roosterachtig oppervlak vormen.

Het team gebruikte vervolgens dezelfde krachten die worden gebruikt om de atomen te vangen om het ionenkristal over het rooster te duwen en te trekken, evenals om het ionenkristal uit te rekken en te persen, net als een accordeon, het veranderen van de afstand tussen de atomen.

Een aardbeving en een rups

In het algemeen, ontdekten de onderzoekers dat wanneer atomen in het ionenkristal regelmatig uit elkaar stonden, met intervallen die overeenkwamen met de afstand van het optische rooster, de twee oppervlakken ondervonden maximale wrijving, net als twee complementaire Legoblokjes. Het team merkte op dat wanneer atomen zo uit elkaar staan ​​dat ze elk een dal in het optische rooster innemen, wanneer het ionkristal als geheel over het optische rooster wordt gesleept, de atomen hebben eerst de neiging om in de troggen van het rooster te blijven plakken, gebonden door hun voorkeur voor de lagere elektrische potentiaal, evenals door de Coulomb-krachten die de atomen uit elkaar houden. Als er voldoende kracht wordt uitgeoefend, het ionenkristal glijdt plotseling weg, terwijl de atomen gezamenlijk naar het volgende dal springen.

"Het is als een aardbeving, " zegt Vuletic. "Er wordt kracht opgebouwd, en dan is er plotseling een catastrofale afgifte van energie."

De groep bleef het ionenkristal uitrekken en uitknijpen om de rangschikking van atomen te manipuleren, en ontdekte dat als de atoomafstand niet overeenkomt met die van het optische rooster, wrijving tussen de twee oppervlakken verdwijnt. In dit geval, het kristal heeft de neiging niet te kleven en dan plotseling weg te glijden, maar om vloeiend over het optische rooster te bewegen, net als een rups die over de grond kruipt.

Bijvoorbeeld, in arrangementen waar sommige atomen zich in dalen bevinden, terwijl andere zich op pieken bevinden, en weer anderen zitten ergens tussenin, als het ionkristal over het optische rooster wordt getrokken, een atoom kan een beetje naar beneden glijden, een beetje stress loslaten, en het gemakkelijker maken voor een tweede atoom om uit een trog te klimmen - wat op zijn beurt een derde atoom meetrekt, enzovoort.

"Wat we kunnen doen is naar believen de afstand tussen de atomen aanpassen om ofwel te worden afgestemd op het optische rooster voor maximale wrijving, of niet passend zonder wrijving, ' zegt Vuletic.

Gangloff voegt eraan toe dat de techniek van de groep niet alleen nuttig kan zijn voor het realiseren van nanomachines, maar ook voor het beheersen van eiwitten, moleculen, en andere biologische componenten.

"In het biologische domein, er zijn verschillende moleculen en atomen die met elkaar in contact staan, glijden als biomoleculaire motoren, als gevolg van wrijving of gebrek aan wrijving, "Zegt Gangloff. "Dus deze intuïtie voor het rangschikken van atomen om wrijving te minimaliseren of te maximaliseren, zou kunnen worden toegepast."