Friktion finns runt omkring oss, arbetar mot rörelser av däck på trottoaren, klottret av en penna över papper, och även flödet av proteiner genom blodomloppet. När två ytor kommer i kontakt, det finns friktion, utom i mycket speciella fall där friktionen i huvudsak försvinner - ett fenomen, känd som "superlubricitet, " där ytor helt enkelt glider över varandra utan motstånd.

Nu har fysiker vid MIT utvecklat en experimentell teknik för att simulera friktion på nanoskala. Med hjälp av deras teknik, forskarna kan direkt observera enskilda atomer vid gränsytan mellan två ytor och manipulera deras arrangemang, justering av mängden friktion mellan ytorna. Genom att ändra avståndet mellan atomer på en yta, de observerade en punkt där friktionen försvinner.

Vladan Vuletic, Lester Wolfe professor i fysik vid MIT, säger att förmågan att justera friktionen skulle vara till hjälp för att utveckla nanomaskiner - små robotar byggda av komponenter som är lika stora som enskilda molekyler. Vuletic säger att på nanoskala, friktion kan kräva en större kraft – till exempel, skapar slitage på små motorer mycket snabbare än vad som sker i större skalor.

"Det finns en stor ansträngning för att förstå friktion och kontrollera den, eftersom det är en av de begränsande faktorerna för nanomaskiner, men det har gjorts relativt små framsteg i att faktiskt kontrollera friktionen i någon skala, " Vuletic säger. "Det som är nytt i vårt system är, för första gången på atomär skala, vi kan se denna övergång från friktion till supersmörjhet."

Vuletic, tillsammans med doktorander Alexei Bylinskii och Dorian Gangloff, publicera sina resultat idag i tidskriften Vetenskap .

Friktions- och kraftfält

Teamet simulerade friktion på nanoskala genom att först konstruera två ytor som ska placeras i kontakt:ett optiskt gitter, och en jonkristall.

Det optiska gittret genererades med hjälp av två laserstrålar som färdades i motsatta riktningar, vars fält sammanlagt bildar ett sinusformigt periodiskt mönster i en dimension. Detta så kallade optiska gitter liknar en äggkartong, där varje topp representerar en maximal elektrisk potential, medan varje tråg representerar ett minimum. När atomer färdas över ett sådant elektriskt fält, de dras till platser med minimal potential – i det här fallet, trågen.

Vuletic konstruerade sedan en andra yta:en jonkristall - i huvudsak, ett rutnät av laddade atomer - för att studera friktionens effekter, atom för atom. För att generera jonkristallen, gruppen använde ljus för att jonisera, eller ladda, neutrala ytterbiumatomer som kommer från en liten uppvärmd ugn, och kylde sedan ner dem med mer laserljus till strax över absolut noll. De laddade atomerna kan sedan fångas med hjälp av spänningar som appliceras på närliggande metallytor. När de är positivt laddade, varje atom stöter bort varandra via den så kallade "Coulomb-kraften". Repulsionen håller effektivt isär atomerna, så att de bildar en kristall- eller gallerliknande yta.

Teamet använde sedan samma krafter som används för att fånga atomerna för att trycka och dra jonkristallen över gittret, samt att sträcka och klämma jonkristallen, ungefär som ett dragspel, ändra avståndet mellan dess atomer.

En jordbävning och en larv

I allmänhet, forskarna fann att när atomer i jonkristallen var regelbundet åtskilda, med intervaller som matchar avståndet mellan det optiska gittret, de två ytorna upplevde maximal friktion, ungefär som två kompletterande legoklossar. Teamet observerade att när atomer är åtskilda så att var och en upptar ett tråg i det optiska gittret, när jonkristallen som helhet dras över det optiska gittret, atomerna tenderar först att fastna i gittrets tråg, bundna där av deras preferens för den lägre elektriska potentialen, samt av Coulomb-krafterna som håller isär atomerna. Om tillräckligt med kraft appliceras, jonkristallen glider plötsligt, när atomerna tillsammans hoppar till nästa tråg.

"Det är som en jordbävning, " säger Vuletic. "Det byggs upp kraft, och så kommer det plötsligt en katastrofal frigörelse av energi."

Gruppen fortsatte att sträcka och klämma på jonkristallen för att manipulera arrangemanget av atomer, och upptäckte att om atomavståndet inte matchar det för det optiska gittret, friktionen mellan de två ytorna försvinner. I detta fall, kristallen tenderar att inte fastna för att sedan plötsligt glida, men för att röra sig flytande över det optiska gittret, ungefär som en larv som rör sig över marken.

Till exempel, i arrangemang där vissa atomer är i dalar medan andra är på toppar, och ytterligare andra är någonstans mittemellan, när jonkristallen dras över det optiska gittret, en atom kan glida ner en topp lite, släpper lite stress, och göra det lättare för en andra atom att klättra upp ur ett tråg – vilket i sin tur drar med sig en tredje atom, och så vidare.

"Vad vi kan göra är att justera efter behag avståndet mellan atomerna för att antingen matchas med det optiska gittret för maximal friktion, eller inte matchat utan friktion, " säger Vuletic.

Gangloff tillägger att gruppens teknik kan vara användbar inte bara för att förverkliga nanomaskiner, men också för att kontrollera proteiner, molekyler, och andra biologiska komponenter.

"På det biologiska området, det finns olika molekyler och atomer i kontakt med varandra, glider fram som biomolekylära motorer, som ett resultat av friktion eller brist på friktion, "Säger Gangloff. "Så den här intuitionen för hur man ordnar atomer för att minimera eller maximera friktionen kunde tillämpas."