Bij het verplaatsen van meubels zijn zware voorwerpen makkelijker te verplaatsen als je ze draait terwijl je duwt. Veel mensen doen dit intuïtief. Een internationaal onderzoeksteam uit Konstanz (Duitsland), Triëst en Milaan (Italië) heeft nu op microscopische schaal de vermindering van statische wrijving door gelijktijdige rotatie onderzocht.

In hun recente studie, die zal worden gepubliceerd in Physical Review X op 15 juni ontdekten de onderzoekers dat de vermindering van statische wrijving van een microscopisch object op een kristallijn oppervlak kan worden beschreven door moiré-patronen, die optreden wanneer periodieke patronen elkaar overlappen. Op basis van dit concept voorspellen de onderzoekers een ongebruikelijke toestand, waarin microscopisch kleine objecten met een minimale hoeveelheid koppel in rotatie kunnen worden gebracht. In de toekomst zou dit de constructie van micromachines met ultralage statische wrijving tegen rotatie mogelijk kunnen maken.

Voorwerpen in beweging zetten

Om een ​​object in beweging te brengen, moet men het duwen om de statische wrijving met het onderliggende oppervlak te overwinnen. Dit geldt zelfs als de aanrakende oppervlakken erg glad zijn. De dagelijkse ervaring leert ons dat statische wrijving veel kleiner is wanneer het object niet alleen wordt geduwd, maar tegelijkertijd wordt geroteerd. Hoewel gerenommeerde wetenschappers, zoals Leonardo da Vinci, al meer dan 500 jaar geleden wrijvingsverschijnselen hebben bestudeerd, is de relatie tussen statische wrijvingskrachten en koppels nog steeds niet volledig begrepen. Dit is vrij opmerkelijk, aangezien rotatiewrijving voortkomt uit dezelfde interactie tussen een object en het onderliggende oppervlak als de goed onderzochte translatiewrijving.

De complexe relatie tussen statische translatie- en rotatiewrijving wordt nog intrigerender op microscopische schaal, waar platte contacten slechts een paar honderd tot een paar duizend atomen omvatten. "Zulke microcontacten komen bijvoorbeeld voor in kleine mechanische apparaten - bekend als micro-elektromechanische systemen (MEMS) - waarvan het gedrag wordt gedomineerd door wrijvingseffecten", zegt professor Clemens Bechinger, hoofd van het onderzoeksteam en hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Universiteit van Konstanz, een voorbeeld van waar wrijvingseffecten een belangrijke rol spelen op microscopische schaal. Rotatie-wrijving en de wisselwerking met translatie-wrijving voor dergelijke kleine contacten is vrij onontgonnen gebleven, omdat het technisch zeer uitdagend is om goed gecontroleerde koppels toe te passen op roterende objecten op microschaal.

Moiré-patronen zijn de sleutel

In hun recente studie, waarbij experimentele en theoretische benaderingen werden gecombineerd, hebben de onderzoekers uit Konstanz, Triëst en Milaan deze uitdaging overwonnen en hebben ze rotatiewrijving en de wisselwerking met translationele wrijving voor microscopische contacten onderzocht. "Voor onze experimenten creëerden we kristallijne clusters gemaakt van magnetische bolletjes van micronformaat en brachten ze in contact met een gestructureerd oppervlak met regelmatig herhalende putjes," Dr. Xin Cao, een van de hoofdauteurs van de studie en Humboldt Fellow in het werk groep van Clemens Bechinger, beschrijft het uitgangspunt van de experimenten. Hij vervolgt:"Deze instelling bootst het contactgebied na tussen twee atomair vlakke oppervlakken."

De tweedimensionale clusters - met contacten met het oppervlak bestaande uit 10 tot 1000 bolvormige deeltjes - werden vervolgens in roterende beweging gebracht met behulp van een zeer controleerbaar roterend magnetisch veld. Het minimale koppel dat nodig is om het respectievelijke cluster te laten draaien, komt overeen met de statische rotatiewrijving, vergelijkbaar met de statische translatiewrijving, die de minimale kracht kenmerkt die nodig is om een ​​translatiebeweging van het cluster te bereiken.

In hun onderzoek ontdekten de onderzoekers dat het samenspel van roterende en translationele wrijving kan worden begrepen door de eigenschappen van wat bekend staat als moiré-patronen. Deze patronen ontstaan ​​wanneer twee of meer periodieke structuren elkaar overlappen. "Optische moiré-patronen kunnen bijvoorbeeld worden waargenomen wanneer een fijnmazig gordijn rimpelt en afzonderlijke lagen van het gordijn elkaar overlappen", legt Dr. Andrea Silva, tweede hoofdauteur van de studie en natuurkundige aan de International School for Advanced Studies (SISSA) uit. ) in Triëst. "De resulterende patronen zijn extreem gevoelig voor kleine relatieve bewegingen en vertonen geometrische structuren op een hoger niveau die niet aanwezig zijn in de overlappende structuren zelf."

Het voordeel van gelijktijdige rotatie

Terugkomend op de experimenten, beschrijft Andrea Silva:"Het contact tussen de deeltjescluster en het onderliggende oppervlak in gebieden waar de periodiciteiten in de structuur van beide objecten overeenkomen, kan worden vergeleken met eieren in een eierdoos." Zonder externe krachten of koppels toe te passen, is dit gebied van structurele overlap maximaal, wat betekent dat een groot aantal deeltjes van het cluster zich dicht bij de bodem van de putjes van het patroonoppervlak bevinden, wat resulteert in hoge statische wrijving.

Wanneer een kracht wordt uitgeoefend op het cluster om het in een bepaalde richting te duwen, verschuift het gebied van structurele overlap naar de rand van het contactgebied. Daardoor wordt het kleiner. Een groot aantal deeltjes blijft echter "vastzitten" in de putjes van het substraat, zodat een relatief grote kracht nodig is om de bewegingsweerstand van het cluster te overwinnen en het los te maken van het substraat. Als het cluster daarentegen met een koppel wordt gedraaid, krimpt het overlapgebied symmetrisch. "Dit maakt het veel gemakkelijker om het cluster te duwen en in beweging te brengen, aangezien het gebied van structurele overlap al aanzienlijk is verminderd door het toegepaste koppel", zegt Xin Cao, die uitlegt hoe gelijktijdig duwen en draaien statische wrijving vermindert.

Op basis van de eigenschappen van de waargenomen moiré-patronen konden de fysici niet alleen verklaren waarom extra rotatie de translatie van microscopische objecten vergemakkelijkt, maar ook voorspellingen doen over de afhankelijkheid van de statische wrijving ten opzichte van rotaties van de clustergrootte:wanneer deze groter is dan een bepaalde drempel, de statische wrijving tegen rotaties neemt sterk af, wat resulteert in een toestand van ultra-lage statische wrijving voor zeer grote clusters. "Een dergelijke toestand met lage wrijving kan zeer relevant zijn voor de fabricage en het functioneren van kleine mechanische apparaten - van atomaire tot microschaal - en brengt ons dichter bij het realiseren van kleinere en efficiëntere machines", besluit Clemens Bechinger. + Verder verkennen

De grenzen van wrijving