Tekniska begränsningar har gjort det svårt att studera friktion på atomskala, men forskare vid University of Pennsylvania och University of California, Merced, har nu gjort framsteg i den jakten på två fronter.

Genom att påskynda ett verkligt atomkraftsmikroskop och sakta ner en simulering av ett, laget har genomfört de första experimenten i atomskala med friktion vid överlappande hastigheter.

Studien leddes av doktoranden Xin-Zhou Liu och professor och avdelningsordförande Robert Carpick, både av institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik i Penn's School of Engineering and Applied Science, och Ashlie Martini, docent vid UC Merced's Engineering School, med Zhijiang Ye, en doktorand vid UC Merced. Yalin Dong, en tidigare medlem i Martinis forskargrupp, och Philip Egberts, sedan medlem i Carpicks forskargrupp, bidragit också till forskningen.

Deras studie publicerades i Fysiska granskningsbrev .

Ett fenomen som kallas "stick-slip-friktion" är mycket ofta inblandat i glidning på både makro- och atomvågen. Motståndet i samband med friktion är en produkt av atomkontakter mellan två objekt som tillfälligt fastnar, där de förblir tills den applicerade kraften ger tillräckligt med elastisk energi för att de punkterna ska bryta isär. Dessa punkter glider sedan och glider tills de fastnar igen. I atomskala, stickpunkter uppträder för varje upprepande uppsättning atomer längs glidriktningen.

Att studera atominteraktionerna som ligger till grund för friktion med stick-slip är i sig svårt eftersom kontaktpunkterna skyms genom att de ligger i spol mot varandra. För att komma runt detta problem, friktionsforskare använder ofta spetsen av ett atomkraftmikroskop, eller AFM, ett ultrakänsligt instrument som kan mäta nanonewton-krafter, som en av kontaktpunkterna. Eftersom en AFM -spets fungerar ungefär som en skivnål, forskare kan mäta friktionen som spetsen upplever medan den dras över ytan. Friktionsforskare använder också simuleringar, som kan modellera dynamiken för alla enskilda atomer.

"Ett kraftfullt tillvägagångssätt är att kombinera experiment med simuleringar, "Liu sa, "Men det stora problemet med att göra detta tidigare har varit att glidhastigheterna med vilka experimenten och simuleringarna utförs inte stämmer överens."

Kvaliteten på mätningarna i ett AFM -experiment beror på att spetsen isoleras från eventuella svängande vibrationer, så traditionellt drar forskare spetsen väldigt långsamt, rör sig ungefär en mikrometer på en sekund snabbast. För att matcha detta experiment i en simulering, de enskilda atomerna på spetsen och ytan är modellerade på en dator, och den virtuella spetsen dras samma avstånd som den riktiga AFM -spetsen.

Detta är ett problem, dock, eftersom, för att fånga den påverkan enskilda atomer har, varje ram i simuleringarna måste beräknas i femtosekundsteg. En dator som bearbetar en miljon steg per sekund skulle behöva cirka 30 år för att simulera det verkliga AFM-experimentets mikrometer-per-sekund-hastighet.

"Det betyder att få samma sträcka på kortare tid, vi måste flytta modellspetsen mycket, mycket snabbare, sa Martini.

Med glidhastigheten för de virtuella tipsen som börjar en miljon gånger snabbare än de fysiska, forskarna bestämde sig för att träffas i mitten. UC Merced -kontingenten arbetade med att bromsa spetsen i sina simuleringar, medan deras motsvarigheter på Penn utvecklade sätt att påskynda sina fysiska experiment.

Eftersom traditionella motorer inte kan flytta AFM -spetsar med den nanoskopiska precision som krävs för deras experiment, spetsen och fribärningen den är monterad på drivs av en piezoelektrisk platta. Det översta lagret av denna typ av plattan förskjuts i sidled bort från bottenlagret när en viss spänning appliceras, skjuta fribäraren och tippa över en provyta.

"För den upplösning som krävs för vår atomfriktionsstudie, skannern i en kommersiell AFM kan bara nå några hundra nanometer per sekund, "Carpick sa." Det är en inneboende begränsning av instrumentet; om du går över den högsta hastigheten, du får stora svängningar i din signal. Vår lösning var att göra en mycket kompakt skärpiezo -platta och använda den för att flytta provet istället för spetsen. "

Genom att flytta provet, en tunn guldfilm belagd på en kiseldiameter, istället för spetsen som drivs av en mycket tyngre skanner, Penn -teamet kunde radikalt öka experimentets totala hastighet. Med lägre massa, den mindre plattan kan röra sig snabbare utan att orsaka bullriga svängningar.

"Den relativa rörelsen är densamma, "Liu sa, "men det betyder att vi kan gå tusen gånger snabbare än tidigare med bibehållen upplösning vi behöver. Vi var tvungna att lägga till helt ny elektronik för att fånga data också eftersom ingen har behövt spela in den så snabbt tidigare."

Medan Penn -teamet påskyndade sina system, UC Merced -teamet bromsade dem. Forskarna där utnyttjade de relativt långa perioder av inaktivitet där spetsen fastnade, väntar på tillräckligt med energi för att glida fram. En del av denna energi tillhandahålls av provets relativa rörelse mot spetsen, men slumpmässiga vibrationer hos de inblandade atomerna, som härrör från termisk energi, kan göra att glidövergången sker snabbare eller långsammare.

"Inse det, "Martini sa, "ger oss möjligheten att använda en serie simuleringsverktyg för vad som kallas" sällsynta händelsessystem ". Detta är verktyg för att få dessa sällsynta händelser att ske snabbare och samtidigt bevara den underliggande fysiken. "

Med hjälp av en teknik som kallas "parallell replikdynamik, "Martinis grupp använde det faktum att sannolikheten för att en av dessa sällsynta händelser inträffar är densamma oavsett om en simulering kördes i tusen femtosekunder eller tusen simuleringar kördes för en femtosekund vardera. Kör identiska simuleringar på så många processorer som möjligt, forskarna skulle stoppa dem alla så snart ett virtuellt tips gled, synkronisera sedan simuleringarna vid den tidpunkten och starta dem alla igen.

"Detta gör att vi effektivt kan öka simuleringens varaktighet genom att parallellisera den i tid, "sa Martini." Du ökar simuleringstiden och minskar därför modellspetshastigheten med en faktor hur många processorer du har. "

Genom att matcha spetshastigheterna i de fysiska och virtuella experimenten, forskarna kunde visa en hittills teoretisk skillnad mellan makroskala och atomisk slip-stick-friktion. Hastighet påverkar vanligtvis inte mängden friktionsmakroskala objekt som möter, men i atomskala kan vibrationerna hos enskilda atomer på grund av termisk energi spela en roll. Forskarna visade att dessa vibrationer motverkar friktion genom att hjälpa spetsen att glida framåt men bara till en punkt. Vid tillräckligt snabba hastigheter, spetsen har inte fastnat tillräckligt länge för att få en "boost" från termisk energi.

"Att undersöka och förstå effekten av friktion vid hastigheterna i vårt experiment är viktigt, "Liu sa, "eftersom de är mycket närmare vad våra nuvarande och framtida tekniska applikationer, såsom mikro- och nanomekaniska enheter, kommer att uppleva än vad vi normalt kan göra med ett atomkraftmikroskop. "

"Den här studien, "Carpick sa, "öppnar nu många möjligheter för att använda de fullständiga atominsikter som finns tillgängliga i atomistiska simuleringar för att på ett tillförlitligt sätt tolka resultaten av experimentella studier. Vi är optimistiska att detta så småningom kommer att leda till allmänna och praktiska insikter att förstå, kontrollera och minska friktion och slitage. "