Friktion är svår att förutsäga och kontrollera, särskilt eftersom ytor som kommer i kontakt sällan är helt plana. Nya experiment visar att mängden friktion mellan två kiselytor, även i stor skala, bestäms av bildandet och bristningen av mikroskopiska kemiska bindningar mellan dem. Detta gör det möjligt att kontrollera mängden friktion med hjälp av ytkemitekniker. Denna forskning har publicerats i Physical Review Letters .
"Det finns en brist på kvantitativ förståelse av friktion, trots dess avgörande roll för att ta itu med utmaningar så olika som att förutsäga jordbävningar och minska energiförbrukningen i mekaniska enheter", säger Ph.D. forskaren Liang Peng, som genomförde forskningsprojektet. Detta är ingen liten sak:Friktion beräknas stå för mer än 20 % av vår globala energiförbrukning. Att kontrollera friktionen i maskiner är också viktigt för att minska materialslitage och öka positioneringsprecisionen.
Peng arbetade tillsammans med andra forskare vid Institute of Physics och Van 't Hoff Institute of Molecular Sciences vid University of Amsterdam samt Advanced Research Centre for Nanolithography (ARCNL). Forskningen är en del av ett pågående samarbete för att undersöka hur storskalig friktion uppstår på mikroskopisk nivå.
Under de senaste åren har nya forskningsmetoder gjort det möjligt för forskare att zooma in på vad som exakt händer när två ytor kommer i kontakt och glider över varandra. Avgörande är att ytor aldrig är helt släta. På en nanometerskala, en miljarddel så stor som en meter, ser de ut som bergiga landskap med utpräglade toppar och dalar.
Tidigare experiment och numeriska simuleringar har visat att i denna lilla skala bestäms friktionen till stor del av bildandet och brytningen av bindningar mellan ytatomer. Detta påverkas inte bara av de glidande ytornas grovhet, utan också av vilka atomer eller molekyler (som vatten) som finns i gränsytan.
"Vi beslutade att utöka och tillämpa dessa nanofriktionsmekanismer till större, industriellt relevanta skalor", förklarar Peng. Med hjälp av ett speciellt instrument som kallas reometer, studerade forskarna hur mängden friktion mellan en relativt grov kiselkula och en slät kiselskiva beror på tätheten av mikroskopiska kemiska bindningar vid gränsytan. Kisel (Si) är ett särskilt intressant material att studera tack vare dess utbredda användning inom halvledarindustrin. Dess överflöd i jordskorpan gör den också relevant för studier av jordbävningar.
Efter att ha rengjort ytorna från föroreningar upptäckte forskarna att det behövs mycket mindre kraft för att glida bollen över skivan – med andra ord är det mindre friktion – när ytorna torkas längre i ren kvävgas. Ytterligare experiment visade vad som händer på atomnivå:längre torkning minskar antalet hydroxylgrupper (OH) som exponeras på kiselytan. När de kommer i kontakt med en annan kiselyta resulterar närvaron av dessa grupper i bildandet av kisel–syre–kisel (Si–O–Si) bindningar mellan de två ytorna.
Forskningen visar att det finns ett slående samband mellan friktionskraften mätt i stora skalor och tätheten av mikroskopiska Si-OH-grupper som finns på de två kiselytorna före kontakt, vilket styr antalet Si-O-Si-bindningar som görs under kontakt. Tätheten av dessa kemiska bindningar regleras genom att ställa in hur lång tid de rengjorda ytorna torkas. Spännande nog betyder detta att det är möjligt att förutsäga och kontrollera friktionskraften mellan kiselytor.
"Vårt resultat är ganska anmärkningsvärt eftersom det visar en kvantitativ förståelse av makroskopisk friktion från första principer. Våra resultat kan därmed överbrygga kunskapsklyftan som hämmar förståelsebaserad kontroll över friktion", avslutar Liang.
Mer information: Liang Peng et al, Controlling Macroscopic Friction through Interfacial Siloxane Bonding, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.226201
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av University of Amsterdam
