Att arbeta tillsammans för att studera friktion på atomär skala, forskare vid UC Merced och University of Pennsylvania har genomfört de första experimenten i atomskala och simuleringar av friktion vid överlappande hastigheter.

I "Dynamics of Atomic Stick-Slip Friction Examinated with Atomic Force Microscopy and Atomistic Simulations at overlapping speeds, " Öppnar ett nytt fönster. en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , UC Merced Engineering Professor Ashlie Martini, doktoranden Zhijiang Ye och deras partners på Penn avslöjar hur de övervann de tekniska begränsningarna med att studera friktion i så liten skala. De hoppas att deras arbete så småningom kommer att leda till större insikter om hur man kontrollerar friktion och slitage på maskiner.

Teamet påskyndade ett verkligt atomkraftmikroskop och bromsade en simulering av en, lägga till en mängd kunskap om ett fenomen som kallas "stick-slip-friktion, " som ofta påverkar glidning på både makro- och atomskala.

Martini och Ye arbetade med Penns maskinteknik och tillämpad mekanik professor Robert Carpick och flera andra doktorander. Det är ett samarbete som odlats under många år.

"Vi är på vårt tredje National Science Foundation (NSF) anslag tillsammans, " sa Martini. "Våra modeller förklarar experimenten, och experimenten hjälper till att verifiera modellerna."

Stick-slip-friktion – motståndet som är förknippat med glidning – är produkten av att atomära kontaktpunkter mellan två föremål tillfälligt fastnar i varandra. De förblir så tills applicerad kraft ger tillräckligt med elastisk energi för att de ska bryta isär. Spetsarna glider sedan och glider tills de fastnar igen.

Men att studera de atomära interaktionerna bakom stick-slip-friktion är i sig svårt, eftersom beröringspunkterna skyms av att de ligger tätt mot varandra.

För att komma runt detta problem, friktionsforskare använder ofta spetsen på ett atomkraftmikroskop (AFM), ett ultrakänsligt instrument som kan mäta nanonewtonkrafter, som en kontaktpunkt. Eftersom en AFM-spets fungerar ungefär som en skivnål, forskare kan mäta friktionen som spetsen upplever när den släpas över en yta. Martini och Yes modeller förutsäger dynamiken hos alla individuella atomer i den spetsen.

Kvaliteten på mätningarna i ett AFM-experiment beror på att förhindra strövibrationer i spetsen. Vanligtvis, forskare drar spetsen cirka 1 mikrometer per sekund — som snabbast. För att matcha detta experiment i en simulering, individuella atomer i spetsen och ytan modelleras på en dator.

Men att göra mätningarna på det här sättet har sina problem:Varje bildruta i en simulering måste beräknas i så små steg att en dator skulle behöva cirka 30 år för att simulera det verkliga AFM-experimentets mikrometer-per-sekund hastighet.

För att övervinna denna begränsning, vanligtvis, de simulerade spetsarna glider en miljon gånger snabbare än i experiment, så forskarna behövde mötas i mitten. Martini och Ye hittade ett sätt att sakta ner sina modelltips, medan Penn-forskarna satte fart på sina riktiga.

"Denna studie öppnar nu upp många möjligheter för att använda alla atomära insikter som finns tillgängliga i atomistiska simuleringar för att tillförlitligt tolka resultaten av experimentella studier, " sade Carpick. "Vi är optimistiska att detta så småningom kommer att leda till allmänna och praktiska insikter att förstå, kontrollera och minska friktion och slitage."

Förutom resultaten av själva forskningen, Martini sa att samarbetet gynnar UC Merced-studenterna. De åker till Penn några veckor varje år och arbetar direkt med sina partnerforskare, som hjälper dem att förbereda sig för livet efter gymnasiet.

"Grundskolan kan vara ganska isolerad, " sa Martini. "Detta hjälper till att förbereda eleverna för den verkliga världen, där lagarbete är vanligt."