Fenomenet friktion, när de studeras i nanoskala, är mer komplicerat än man tidigare trott. När friktion uppstår, ett föremål glider inte bara sin yta över en annans, det gör också en liten upp-och-ner-rörelse. Detta fynd kompletterar en flera hundra år gammal teori om friktion som dateras till 1699 och avslöjar en lucka i samtida tänkande om friktion. Fenomenet – kallat lyfthysteres – beskrevs i en nyligen genomförd studie av forskarna Farid Al-Bender, Kris De Moerlooze och Paul Vanherck från Production Engineering, Maskinkonstruktion och automationsavdelning vid KU Leuvens institution för maskinteknik.

Friktion är den kraft som uppstår när en yta glider över en annan, eller när ett föremål rör sig genom en vätska eller en gas. Tills nu, teorin som förklarar fenomenet friktion var splittrad. De franska fysikerna Guillaume Amontons och Charles August Coulomb, arbetade i slutet av 1600- och mitten av 1700-talet, respektive, försökte hitta en förklaring till friktionsmotstånd. Friktionsmotstånd förklarar, till exempel, varför glida ett tungt skåp över ett golv är mycket svårare än att glida en stol. När vikten av ett föremål ökar, det gör motståndet också. Golvet och botten av skåpet rör sig mot varandra från vänster till höger eller vice versa. Men samtidigt bär skåpets vikt vinkelrätt mot botten av skåpet och golvet. Denna normala belastning - "normal" i betydelsen att vara vinkelrät mot skiftningsriktningen - skjuter ihop de två ytorna och ger motstånd när friktion uppstår. Om vi ​​sätter stolen och skåpet på hjul och skjuter dem uppför, det behövs mer kraft för att flytta skåpet än för att flytta stolen.

Med hjälp av detta resonemang, Amontons och Coulomb förklarade friktionen med råheten hos båda ytorna:(ibland mikroskopiskt små) skrymslen och vrår på en yta – ojämnheter – som sätter sig på en annans när ett föremål vilar på ett annat. När friktion uppstår, dessa ojämnheter spelar rollen som backar. De är gjorda för att klättra, sjunka ner och deformeras så att rörelsen kan fortsätta, liknande det som händer när borsten på två borstar gnuggar ihop. Denna teori kallas ibland för ”bumphypotesen” eftersom en yta slipar över en annans stötar med en upp-och-ner-rörelse.

På 1900 -talet blev det klart att den befintliga teorin inte helt överensstämde med termodynamikens lagar, vetenskapen som studerar omvandling av värme till mekanisk energi eller vice versa. Specifikt, Amontons och Coulombs bumphypotes misslyckades med att förklara energi förlorad till följd av friktion. I deras teori, summan av energin som behövs för att gå "uppför" och sedan "nedför" är noll. På samma gång, vi vet att rena ytor har en elektrokemisk tendens att fastna vid varandra. Detta orsakas av att besvär fastnar vid varandra i ett fenomen som kallas vidhäftning. Ett typiskt exempel är tejp. När rörelse sker, alla bindningar mellan de två ytornas ojämnheter bryts och reformeras någon annanstans. Följaktligen, faktorer som hastighet och acceleration påverkar friktionen. Med ökningen av den nyare vidhäftningsteorin, Amontons och Coulombs teori försvann gradvis i glömska. Men den moderna adhesionsteorin om friktion visade sig ha sina egna inkonsekvenser.

Mättekniker i mikro- och nanoskala gör det nu möjligt för forskare att studera friktion på atomnivå. Professor Farid Al-Bender och hans team genomförde ett experiment med extremt exakta friktions- och förskjutningssensorer och testade olika material (papper, plast och mässing) med olika rörelsehastigheter. Resultaten kartlägger friktionskraftsmätningar som överensstämmer med de som förutsägs av adhesionsteorin. Men tills nu, "normal rörelse" - rörelse vinkelrätt mot gnidningsrörelsen - hade ännu inte mätts. Medan normal rörelse uppgår till bara 5-50 nanometer-miljarddels meter-hade denna systematiska upp-och-ned-rörelse tidigare förbises. Mätningar av denna normala rörelse, säger KU Leuven-forskarna, bekräftar den månghundraåriga hypotesen om asperitetsdeformation och lutning som banat väg för av Amontons och Coulomb och målar upp en mer komplex bild av fenomenet friktion eftersom normal rörelse nu måste beaktas när man utvecklar en omfattande teori om friktion. Al-Bender och hans teams resultat tyder på att friktion orsakas av en växelverkan mellan både vidhäftning å ena sidan och asperitetsdeformation och lutning å andra sidan.

Tribologi - vetenskapen om friktion, smörjning och slitage – är ett viktigt område inom maskinteknik. Tribologi -forskning kan hjälpa till att sänka ekonomiska och miljökostnader för produktion och användning. Om interaktionen mellan rörliga ytor kan kontrolleras, tids- och energiinmatningar kan optimeras och slitage, störningar och avfall kan minskas. Tribologi -forskning kan också bidra till miniatyrisering av produkter, såsom datorkomponenter. Vid KU Leuven, forskning inom tribologi är nära kopplad till forskning inom maskinteknik, maskindesign, materialvetenskap och robotik.