För att en bil ska kunna accelerera måste det finnas friktion mellan däcket och vägytan. Mängden friktion som genereras beror på många faktorer, inklusive de små intermolekylära krafterna som verkar mellan de två ytorna i kontakt – så kallade van der Waals-krafter. Vikten av dessa intermolekylära interaktioner för att generera friktion har länge varit känd, men har nu för första gången demonstrerats experimentellt av en forskargrupp ledd av fysikprofessor Karin Jacobs från Saarlands universitet och professor Roland Bennewitz från Leibniz Institute for New Materials (INM). Intressant, forskargruppen har visat att friktionen som verkar på en materialyta påverkas av strukturen hos de underjordiska skikten.
Friktion är ett vardagsfenomen som ibland är önskvärt (att göra det möjligt för bilar att accelerera) och ibland inte (friktion i form av fordonsmotstånd och friktion i motor och transmissionssystem ökar bilens energiförbrukning). För många forskare och ingenjörer, förmågan att kontrollera friktionen är därför högst upp på deras önskelista. En möjlig metod för att kontrollera friktion har just publicerats av forskare vid Saarlands universitet och INM. De har upptäckt att friktionskraften påverkas av sammansättningen av materialen under ytan.
Det arbete som Saarbrücken-forskarna utförde innebar att man tittade närmare på de intermolekylära krafterna som verkar mellan två material. För att kunna variera dessa krafter, forskarna arbetade med polerade, enkristall kiselwafers. "Rånorna är täckta med kiseldioxidskikt av olika tjocklek och liknar de som används i halvledarindustrin, förklarade Karin Jacobs, Professor i experimentell fysik vid Saarlands universitet.
Jacobs team mätte exakt friktionen mellan kiseldioxid (SiO 2 ) lager av olika tjocklek och spetsen på 200 nm på en atomkraftsmikroskopisk sond genom att noggrant skanna spetsen över skivans yta. Det fysikerna upptäckte var överraskande:även om det översta lagret av ytan alltid bestod enbart av SiO 2 , spetsen på atomkraftmikroskopet upplevde olika friktionskrafter beroende på tjockleken på kiseldioxidskiktet. "Ju tunnare oxidlagret, ju större friktionen, sa Jacobs. Studien fann att friktionskrafterna förknippade med skivorna skilde sig med så mycket som 30 procent beroende på tjockleken på SiO 2 lager. Effekten observerades även när kiselskivorna täcktes med ett vattenavvisande monolager av silanmolekyler (långkedjiga kolväten).
'Resultaten av vår studie har betydande konsekvenser för många praktiska tillämpningar, sa professor Jacobs. Eftersom styrkan hos van der Waals krafter beror på sammansättningen av ett material till djup på upp till 100 nanometer, noggrant design av skiktstrukturen vid ytan av ett material kan minska friktionen. Detta ger oss ett annat sätt att kontrollera friktionen utöver den etablerade användningen av smörjmedel.'
