Als je al de moeite neemt om aan wrijving te denken, je zou kunnen overwegen om je handen tegen elkaar te wrijven om ze op te warmen.

Maar wrijving is een groot probleem in de wereld. Onderdelen die tegen elkaar wrijven slijten. Machines kunnen meer energie verbruiken dan zou moeten. Het is ook niet triviaal:ongeveer 23% van het energieverbruik in de wereld is te wijten aan wrijving.

Dat heeft onderzoekers op zoek naar manieren om erachter te komen hoe wrijving echt werkt, op nanoschaalniveau, zodat ze smeermiddelen en andere manieren kunnen ontwerpen om het te verminderen.

Het probleem is, wrijving is uiterst moeilijk te beschrijven met behulp van een model. Een van de meest gebruikte wiskundige modellen voor wrijving op nanoschaal werd voor het eerst voorgesteld in 1929, en het wordt nog steeds gebruikt omdat het vrij algemeen is. Maar wanneer dat model wordt gebruikt om naar meer gedetailleerde situaties te kijken, het werkt niet zo goed.

Nutsvoorzieningen, twee onderzoekers van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU) hebben een aanpassing aan dit model bedacht die het vermogen verbetert om trends te beschrijven in hoe wrijving werkt voor gelaagde materialen zoals grafeen op nanoschaal. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Een hobbelig oppervlak van atomen

Voordat je kunt begrijpen wat de onderzoekers deden, je moet eerst begrijpen hoe onderzoekers wrijving visualiseren.

Een oppervlak kan er glad uitzien, maar onder een krachtige microscoop, het oppervlak heeft duidelijk oneffenheden. Dus als onderzoekers een wiskundig model willen gebruiken om wrijving te verklaren, ze nemen dit hobbelige oppervlak mee in hun berekeningen.

"Als we wrijving zeggen, mensen denken er misschien aan om een ​​doos over een oppervlak te duwen, " zei David Andersson, een doctoraat in de afdeling Mechanische en Industriële Techniek van NTNU, die de eerste auteur van het papier was. "Maar als je wilt begrijpen waar de wrijving vandaan komt, het komt echt door het contact tussen de atomen."

Wrijving wordt dan beschreven als de kracht die nodig is om een ​​punt over dit hobbelige atomaire oppervlak te trekken. Dat is in wezen hoe het Prandtl-Tomlinson-model voor wrijving, voor het eerst gepubliceerd in 1929, beschrijft het. En een van de belangrijkste kenmerken die het model beschrijft, is iets dat gebeurt wanneer deze punt over het hobbelige oppervlak wordt getrokken:hij kan blijven plakken en dan plotseling wegglijden.

In feite, dit soort stick-and-slip-gedrag tussen twee oppervlakken is zelfs zichtbaar op macroschaal - het is wat er op geologische schaal gebeurt wanneer twee tektonische platen langs elkaar bewegen. Mensen in seismisch actieve zones ervaren het wegglijden van de platen als een aardbeving.

De puzzel van tweedimensionale materialen

Grafeen als additief voor smeermiddelen is al bijna twee eeuwen in gebruik, maar het was pas ongeveer tien jaar geleden dat onderzoekers het en andere tweedimensionale materialen zoals dit in detail begonnen te bestuderen. Grafeen is een laag koolstof die slechts één atoom dik is. Het kan behoorlijk glibberig spul zijn.

Toen onderzoekers begonnen te experimenteren met lagen grafeen en hoe dat de wrijving tussen oppervlakken beïnvloedde, ze ontdekten iets vreemds, Andersson en zijn co-auteur en begeleider Astrid de Wijn zeiden.

Onderzoekers ontdekten dat de wrijving afhangt van het aantal lagen, wat de onderzoekers op een verrassende manier vonden:het was het hoogst voor enkellaagse vellen grafeen en nam af met een toenemend aantal lagen. Het Prandtl-Tomlinson-model voorspelde dit niet.

"Wat experimentatoren deden, was lagen grafeen en andere 2D-materialen op elkaar leggen, en ontdekte dat de wrijving afneemt met het aantal lagen. Dat zou je niet verwachten, "de Wijn, een universitair hoofddocent bij NTNU, zei. "Het was eigenaardig gedrag."

Ander theoretisch en experimenteel werk aan grafeenlagen leverde tegenstrijdige bevindingen op.

Hoewel dat frustrerend kan zijn voor academici, het is meer dan alleen een academische puzzel. Wetenschappers en ingenieurs die willen weten hoe ze materialen of smeermiddelen kunnen ontwerpen om slijtage en wrijving te verminderen, hebben modellen nodig om de basis voor hun inspanningen te leggen.

Door complexiteit toe te voegen is het model verbeterd

Andersson en de Wijn besloten een aantal verschillende experimentele onderzoekspapers te bekijken waarin tegenstrijdige bevindingen werden beschreven om te zien of ze een wiskundig model konden maken dat zou helpen verklaren wat er aan de hand was.

Ze realiseerden zich dat ze tegenstrijdige bevindingen konden verklaren door een extra variabele toe te voegen aan het eeuwenoude Prandtl-Tomlinson-wrijvingsmodel. Terwijl het oude model eenvoudigweg keek naar de kracht die nodig was om een ​​punt over een oppervlak te verplaatsen, toen de onderzoekers een variabele toevoegden waardoor de gelaagde materialen konden vervormen, het was veel beter in het voorspellen van wrijving op nanoschaal dan het oude model.

"Uiteindelijk waren er een dozijn experimentele papers die we in één keer konden uitleggen, door de component toe te voegen waarmee de gelaagde materialen kunnen vervormen, "Zei Andersson. "We hebben de juiste manier gevonden om het model uit te breiden om deze puzzel op te lossen."

Praktische toepassingen voor grafeen

De onderzoekers hopen dat hun model andere onderzoekers kan helpen, vooral als het om grafeen gaat.

"Er zijn veel mysteries over grafeen en hoe het werkt, " zei de Wijn. Maar het herziene model stelt onderzoekers in staat om wrijving in dunne vellen grafeen en andere soortgelijke materialen beter te begrijpen, ze zei.

Bijvoorbeeld, ze zei, het model is een eerste stap om ingenieurs te helpen extreme vervormingen en scheuren te begrijpen van dunne platen die slechts atomen dik zijn wanneer deze lagen een hoge belasting ondergaan.

"In reële omstandigheden zulke extreme vervormingen komen vaak voor en leiden tot het verbreken van chemische bindingen, scheuren, dragen, en verlies van wrijvingsarme omstandigheden, schreven de Wijn en Andersson in hun paper. "Dit is een eerste stap en verhoogt de mogelijkheid tot een beter begrip van slijtage en snellere, op begrip gebaseerd, ontwikkeling van praktische toepassingen van grafeen in wrijvingsarme technologieën."