(Phys.org) – När bitar av grafit i nanostorlek glider mot varandra, det kan praktiskt taget inte finnas någon friktion mellan dem. Under många år, superlåg friktion, eller "superlubricitet, " var känt för att endast existera på nanoskala. Sedan 2012, forskare visade först supersmörjhet bortom nanoskalan när de upptäckte fenomenet i mikrometerstor grafit. Bygger på detta och relaterad forskning, forskare i en ny studie har nu teoretiskt visat att superlåg friktion kan sträcka sig till längder på tiotals centimeter.

I den nya studien publicerad i Fysiska granskningsbrev , forskarna Ming Ma, et al., har teoretiskt undersökt den maximala längden av en kedja av partiklar som uppvisar supersmörjbarhet. Deras modell visar att denna kritiska längd beror på de experimentella parametrarna och materialets egenskaper, speciellt dess styvhet. För mycket styva material, som kolnanorör, forskarna fann att supersmörjhet kan hålla i upp till tiotals centimeter, varefter det plötsligt försvinner.

"Dessa resultat indikerar en väg för att uppnå superlåg friktion på makroskala, och kan potentiellt hjälpa till med rationell design av supersmörjande material för nanomekaniska applikationer, "Michael Urbakh, en professor vid Tel Aviv University och en av studiens huvudförfattare, berättade Phys.org .

Som forskarna förklarar, superlåg friktion bygger på ett speciellt arrangemang av atomer på ett materials yta. I grafit, till exempel, ytatomerna har ett ojämnt hexagonalt arrangemang som äggkartonger/lådor. I vissa inriktningar, två ytor av grafit kan mötas på ett sådant sätt att "klumparna" kan glida förbi varandra utan ansträngning, och friktionen sjunker till nästan noll.

I kontrast, när samma grafitbitar roteras något i förhållande till varandra, deras ytatomer kan inte längre lätt glida, och materialen uppvisar de välbekanta effekterna av friktion.

Denna typ av förändring i geometrisk konfiguration kan förklara den abrupta övergången mellan friktionsfria och friktionsregimer i forskarnas modeller. Ett kortare nanorör, eller kedja, uppvisar supersmörjbarhet eftersom dess partiklar inte matchar, eller opassande, med de underliggande substratatomerna. Eftersom atomerna undviker att låsa sig med varandra, kedjan glider lätt på ytan. Men för en längre kedja, en mekanisk instabilitet utlöser gallermatchning vid kedjans framkant. Som ett resultat, partiklarna hamnar i register, eller motsvarande, med atomerna i substratgittret, och friktionen ökar plötsligt.

Forskarnas simuleringar avslöjade också att den kritiska kedjelängden bildar en skarp gräns mellan två faser baserat på interpartikelavstånd:avståndet mellan partiklarna är mindre i den kortare kedjan än i den längre kedjan. På exakt den kritiska längden, ett plötsligt hopp på detta avstånd inträffar, tillsammans med det abrupta friktionshoppet.

Genom att bättre förstå supersmörjbarhet och dess gränser, forskarna hoppas kunna utöka effekten till så stor skala som möjligt. Superlubricitet kan visa sig vara mycket användbar för att designa system i nanoskala med lågt slitage, och det skulle kunna vara ännu mer användbart om det kunde utvidgas till större skalor.

"Utmaningen här är att skala upp storleken på de glidande föremålen utan att förlora den perfekta ägglådans geometri som krävs för supersmörjhet, " sa medförfattaren Andrea Vanossi vid CNR-IOM Democritos National Simulation Center och International School for Advanced Studies (SISSA), både i Trieste, Italien. "I vanliga fall, allt eftersom storleken på föremålen växer, defekter och ofullkomligheter spelar in. Bara nyligen, tack vare de imponerande framstegen inom syntesteknikerna, har det varit möjligt att producera felfritt, atomiskt perfekta långsträckta nanostrukturer som kolnanorör, grafen nanorband, och konjugerade polymerer. När det är möjligt att ha två storskaliga, geometriskt perfekta ytor gnider mot varandra utan friktion, och att applicera detta material som en beläggning på kullager och rörliga maskindelar, det kommer att finnas enorma besparingar framöver inom energiområdena, resursförbrukning, och underhåll."

Forskarna arbetar för närvarande med att utöka sin metod för att förstå mekanismer som begränsar superlåg friktion mellan 3D-material.

© 2015 Phys.org