Samenwerken om wrijving op atomaire schaal te bestuderen, onderzoekers van UC Merced en de Universiteit van Pennsylvania hebben de eerste experimenten op atomaire schaal en simulaties van wrijving met overlappende snelheden uitgevoerd.

In "Dynamics of Atomic Stick-Slip Friction onderzocht met atoomkrachtmicroscopie en atomaire simulaties bij overlappende snelheden, " Opens a New Window. a paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , UC Merced-ingenieurshoogleraar Ashlie Martini, Afgestudeerde student Zhijiang Ye en hun partners bij Penn onthullen hoe ze de technologische beperkingen van het bestuderen van wrijving op zo'n kleine schaal hebben overwonnen. Ze hopen dat hun werk uiteindelijk zal leiden tot meer inzicht in het beheersen van wrijving en slijtage aan machines.

Het team versnelde een echte atoomkrachtmicroscoop en vertraagde een simulatie van een, toevoegen aan een hoeveelheid kennis over een fenomeen genaamd "stick-slip wrijving, " wat vaak van invloed is op het glijden op zowel macro- als atomaire schaal.

Martini en Ye werkten samen met Penn werktuigbouwkunde en toegepaste mechanica Professor Robert Carpick en verschillende andere afgestudeerde studenten. Het is een samenwerking die gedurende vele jaren is gecultiveerd.

"We zijn samen bezig met onze derde National Science Foundation (NSF)-beurs, " zei Martini. "Onze modellen verklaren de experimenten, en de experimenten helpen de modellen te verifiëren."

Stick-slip wrijving - de weerstand die gepaard gaat met glijden - is het product van atomaire contactpunten tussen twee objecten die tijdelijk aan elkaar worden geplakt. Ze blijven zo totdat de uitgeoefende kracht voldoende elastische energie levert om uit elkaar te vallen. De punten glijden dan weg totdat ze weer vast komen te zitten.

Maar het bestuderen van de atomaire interacties die ten grondslag liggen aan stick-slip wrijving is inherent moeilijk, omdat de contactpunten worden verduisterd door vlak tegen elkaar aan te liggen.

Om dit probleem te omzeilen, wrijvingsonderzoekers gebruiken vaak de punt van een atomic force microscope (AFM), een ultragevoelig instrument dat nanonewton-krachten kan meten, als één aanspreekpunt. Omdat een AFM-tip ongeveer hetzelfde werkt als een platennaald, onderzoekers kunnen de wrijving meten die de punt ervaart terwijl deze over een oppervlak wordt gesleept. De modellen van Martini en Ye voorspellen de dynamiek van alle individuele atomen in die punt.

De kwaliteit van metingen in een AFM-experiment hangt af van het voorkomen van verdwaalde trillingen in de punt. Gebruikelijk, onderzoekers slepen de tip ongeveer 1 micrometer per seconde - op zijn snelst. Om dit experiment in een simulatie te matchen, individuele atomen van de punt en het oppervlak worden gemodelleerd op een computer.

Maar het uitvoeren van de metingen op deze manier heeft zijn problemen:elk frame in een simulatie moet in zulke kleine stappen worden berekend dat een computer ongeveer 30 jaar nodig heeft om de micrometer-per-seconde snelheid van het echte AFM-experiment te simuleren.

Om deze beperking te overwinnen, typisch, de gesimuleerde tips glijden een miljoen keer sneller dan in experimenten, dus moesten de onderzoekers elkaar in het midden ontmoeten. Martini en Ye hebben een manier gevonden om hun modeltips te vertragen, terwijl de Penn-onderzoekers hun echte versnelden.

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

Naast de resultaten van het onderzoek zelf, Martini zei dat de samenwerking de afgestudeerde studenten van UC Merced ten goede komt. Ze gaan elk jaar een paar weken naar Penn en werken rechtstreeks samen met hun partneronderzoekers, die hen helpt zich voor te bereiden op het leven na de middelbare school.

"De middelbare school kan behoorlijk insulaire zijn, "Zei Martini. "Dit helpt studenten voor te bereiden op de echte wereld, waar teamwork aan de orde van de dag is."