Inom fysiken, det är användbart att så exakt som möjligt veta hur friktionsfenomen uppstår - och inte bara i makroskopisk skala, som inom maskinteknik, men också i mikroskopisk skala, inom områden som biologi och nanoteknik. Det är ganska svårt att studera friktion i atomskalan där icke-linjära effekter råder.

Forskare från QUEST-institutet vid Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) har nu presenterat ett modellsystem som gör det möjligt att undersöka friktionseffekter i atomskala och friktionsdynamik som liknar dem som äger rum i proteiner, DNA -strängar och andra deformerbara nanokontakter. Detta modellsystem består av laserkylda joner som ordnar sig i Coulomb-kristaller. Forskarna har utfört experiment och numeriska simuleringar och fått nya grundläggande resultat om friktionsprocesser i dessa atomsystem. De har nu presenterat sina resultat i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

De flesta makroskopiska objekt har en grov struktur från en atomisk synvinkel. Även om de känns släta vid beröring, de uppvisar asperities. Strängt talat, två föremål ligger aldrig direkt ovanpå varandra, men bara röra varandra vid dessa asperities. Atomgitterstrukturen spelar därför ingen roll i denna interaktion. Detta är ganska annorlunda för objekt på atomskala, som nanomaskiner eller biomolekyler. "Här, atomiskt släta ytor vidrör varandra. Ytan spelar därför också en roll och måste beaktas vid modellberäkningar, "förklarar PTB -fysikern Tanja E. Mehlstäubler." Dessa modeller förklarar också fascinerande fenomen som superlubricitet, där statisk friktion blir nästan obefintlig. Det uppstår när två kristallina ytor inte är i överensstämmelse med varandra. Detta innebär att förhållandet mellan gitteravstånden på glidytorna är irrationellt. Detta leder till att det inte finns någon plats där de två ytorna matchar varandra exakt. "

Det finns alltså tillräckligt många skäl att exakt mäta friktion i nanoskala och undersöka dess dynamik. Det finns redan ett kraftfullt instrument för att mäta friktion, friktionskraftmikroskopet. "Direkt experimentell åtkomst till dynamiken i ett friktionssystem är nästan omöjligt. Modelsystem där atomerna lätt kan kontrolleras - både tidsmässigt och rumsligt - är därför oumbärliga. Detta gör att vi kan undersöka dem, "förklarar Mehlstäubler. Ett sådant system har nu presenterats av forskarna från PTB, tillsammans med sina partners från Sydney. Ytterbiumjoner som hålls i en jonfälla kyls med hjälp av lasrar i sådan utsträckning (ner till några millikelvin) att de bildar en kristall som består av två kedjor. Jonerna ordnar sig på ett sådant sätt att närmaste granne alltid är så långt bort som möjligt. Denna struktur kallas för sicksack.

Två sådana jonkedjor är en mycket exakt representation av de två parterna i en friktionsprocess - och de är lätta att observera mycket exakt. När ytterbiumjoner bestrålas med ljus vars frekvens är nära deras resonansfrekvens, de börjar fluorescera. "Vi kan därmed observera de enskilda atompartiklarna i deras rörelse genom vår bildoptik, "tillägger Jan Kiethe, en fysiker vid PTB och huvudförfattaren till studien. En övergång mellan två olika faser, som orsakades av närvaron av ett strukturellt gitterdefekt, har observerats och analyserats här. I en av regimerna, statisk friktion är huvudaktören i transportdynamiken; i den andra regimen, det glider friktion.

Jonkedjornas dynamik är jämförbar med molekylkedjans dynamik som DNA. I deras studie, forskarna har skapat ett fysiskt modellsystem för att undersöka den komplexa dynamiken i friktion i 1-D, 2-D och 3-D system med atomprecision. Dessutom, detta modellsystem har banat väg för undersökning av transportfenomen i kvantregimen.