Friktion skapas när två ytor glider ovanpå varandra. Eftersom detta förbrukar ytterligare energi, denna så kallade glidfriktion anses vara en besvärlig men oundviklig aspekt av dynamiska processer. Dock, för att sätta ett stillastående föremål i rörelse, dess statiska friktion måste övervinnas först. I samarbete med sina italienska kollegor, forskare från universitetet i Konstanz har visat hur man helt undertrycker statisk friktion mellan två ytor. Det betyder att även en liten kraft räcker för att sätta föremål i rörelse. Speciellt i mikromekaniska delar, där endast små krafter spelar, en försvinnande statisk friktion kan leda till enormt förbättrade effektivitetsnivåer. Dessa resultat har publicerats i den aktuella upplagan av onlinetidskriften Fysisk granskning X ( PRX ).
För att flytta ett träblock över ett bord måste man dra det. När Leonardo da Vinci undersökte detta bedrägligt enkla förhållande systematiskt för mer än 500 år sedan, han upptäckte de grundläggande lagarna för glidfriktion. Eftersom glidfriktion vanligtvis genererar värme, man måste hela tiden dra i träbiten för att kompensera för friktionsförlusterna. Dock, att generera rörelse i första hand, det är inte glidfriktion utan statisk friktion som måste övervinnas. Statisk friktion är vanligtvis större än glidfriktion och ett resultat av att kontaktytornas atomära struktur låser sig på plats. Ytorna kan bara frigöra sig och röra sig mot varandra när den applicerade kraften har nått tillräckliga nivåer.
Arbetar med fysiker från universiteten i Milano och Trieste, en arbetsgrupp vid universitetet i Konstanz ledd av professor Clemens Bechinger kunde genomföra experiment och numeriska simuleringar som bekräftade en förutsägelse som fysikern Serge Aubry gjorde på 1980-talet:Han postulerade att, om gitteravståndet mellan partiklar i en yta skulle skilja sig något från gitteravståndet på den andra, friktionen mellan de två ytorna bör försvinna helt. Detta förväntas till och med gälla om de två ytorna pressas ihop. Rent praktiskt, detta skulle innebära att en slumpmässigt liten kraft skulle räcka för att flytta en träbit som väger ton över en yta.
Denna effekt kan observeras särskilt väl i idealiska kontakter, där båda ytorna ligger helt plana mot varandra. Det är den här typen av ytor som Clemens Bechinger och hans team kunde skapa i ett modellsystem:Med hjälp av laserstrålar och glaskulor i mirkometerområdet, så kallade kolloider, de kunde skapa en tvådimensionell modell av två ytor som gnuggade mot varandra. Eftersom de elektriskt laddade sfärerna stöter bort varandra, de placerar sig i ett periodiskt ordnat platt lager. Detta kolloida monolager bildar en av de två ytorna. Forskarna skapade den andra ytan under lagret av kolloider med hjälp av tre laserstrålar. Som ett resultat av deras överlagring bildas en ljus kristall, som är en sorts optisk ägglåda med urtag och åsar. "I jämförelse med verkliga ytor, dessa optiska ytor har den extra fördelen att de är helt transparenta, vilket innebär att vi direkt kan observera processerna i arbete mellan dem med hjälp av ett mikroskop, säger Thorsten Brazda, doktorandforskaren som genomförde experimenten i Bechingers grupp för sin doktorsavhandling.
Medan Aubry begränsade sin förutsägelse till endimensionella kontakter vid nollpunktstemperaturer, forskningssamarbetet kunde bevisa att det sträckte sig, tvådimensionella kontakter vid rumstemperatur kan också sättas i rörelse utan statisk friktion. "Vi kunde förvandla Aubrys artificiella endimensionella uppställning till en realistisk situation och visa att hans idé förblir giltig i tvådimensionella system och vid ändliga temperaturer, " säger Clemens Bechinger.
Att observera partikelrörelser direkt gjorde det också möjligt för forskarna att förstå försvinnandet av statisk friktion mellan det kolloida monoskiktet och den ljusa kristallen:Det visar sig att det kolloidala monoskiktet vrider sig lite i förhållande till det optiska nätet. På det sättet, partiklarna låser sig inte på substratets fördjupningar, som de inte skulle ha lätt att fly ifrån. Istället, några av dem placerar sig runt åsarna. Om yttre kraft appliceras, dessa partiklar behöver inte fly från urtagen utan är fria att röra sig omedelbart så snart en minimal kraft utövas. Statisk friktion försvinner.
Dessa resultat, som stämmer utmärkt överens med de numeriska simuleringar som utförts av det italienska laget, visa att statisk friktion inte bara kan undertryckas, men genereras också efter önskemål om kontakttrycket mellan de två ytorna ökas. Detta är viktigt i den mån statisk friktion – i motsats till glidfriktion – ofta är ett önskat fenomen. Det gör det möjligt för oss att greppa föremål på ett säkert sätt och säkerställer att hjulen har tillräckligt med grepp. Detta sätt att variera statisk friktion skapar nya möjligheter för att enkelt flytta föremål över ytor och låsa dem säkert på plats. Detta skulle vara till stor fördel i mikro- och nanomekaniska växellådor eller kopplingar, eftersom, här, vanligtvis är det bara mycket små krafter som spelar.
