Oavsett om det gäller fordonstransmissioner, höftproteser, eller små sensorer för att utlösa krockkuddar:Respektive komponenter måste glida mot varandra med minimal friktion för att förhindra energiförlust och materialslitage. Undersöker friktionsbeteendet hos nanosystem, forskare från Technische Universitaet Muenchen har upptäckt en tidigare okänd typ av friktion som kastar nytt ljus över några tidigare oförklarliga fenomen.

Friktion är ett allestädes närvarande men ofta irriterande fysiskt fenomen:Det orsakar slitage och energiförlust i maskiner såväl som i våra leder. På jakt efter lågfriktionskomponenter för allt mindre komponenter, ett team av fysiker ledda av professorerna Thorsten Hugel och Alexander Holleitner upptäckte nu en tidigare okänd typ av friktion som de kallar "desorptionssticka".

Forskarna undersökte hur och varför enstaka polymermolekyler i olika lösningsmedel glider över eller fastnar på vissa ytor. Deras mål var att förstå fysikens grundläggande lagar i molekylär skala för att utveckla riktade antifriktionsytor och lämpliga smörjmedel.

För sina studier fäste forskarna änden av en polymermolekyl till den nanometerfina spetsen på ett mycket känsligt atomkraftmikroskop (AFM). Medan de drog polymermolekylen över testytor, AFM mätte de resulterande krafterna, från vilken forskarna direkt kunde härleda polymerspolens beteende.

Ny friktionsmekanism upptäckt

Förutom de två förväntade friktionsmekanismerna som att sticka och glida upptäckte forskarna en tredje för vissa kombinationer av polymer, lösningsmedel och yta.

"Även om polymeren fastnar på ytan, polymersträngen kan dras från sin lindade konformation in i den omgivande lösningen utan att någon betydande kraft utövas, " experimentell fysiker Thorsten Hugel beskriver detta beteende. "Orsaken är förmodligen en mycket låg intern friktion i polymerspolen."

Nyckeln är lösningsmedlet

Förvånande, desorptionsstickan beror varken på rörelsehastigheten eller på polymerens stödyta eller vidhäftningsstyrka. Istället, ytans kemiska natur och lösningsmedlets kvalitet är avgörande. Till exempel, hydrofob polystyren uppvisar rent glidbeteende när den löses i kloroform. I vatten, dock, det visar desorptionssticka.

"Förståelsen som vi får genom vår mätning av enmolekylfriktion öppnar nya sätt att minimera friktionen, " säger Alexander Holleitner. "I framtiden, med målinriktad framställning av polymerer, nya ytor kan utvecklas specifikt för nano- och mikrometerområdet."