Om du överhuvudtaget bryr dig om att tänka på friktion, du kanske funderar på att gnugga händerna mot varandra för att värma upp dem.

Men friktion är ett stort problem ute i världen. Delar som skaver mot varandra slits ut. Maskiner kan använda mer energi än de borde. Det är inte trivialt heller:ungefär 23 % av världens energiförbrukning beror på friktion.

Det har forskare på jakt efter sätt att ta reda på hur friktion faktiskt fungerar, på nanoskalanivå, så att de kan designa smörjmedel och andra sätt att minska det.

Problemet är, friktion är extremt svårt att beskriva med en modell. En av de mest använda matematiska modellerna för friktion på nanoskala föreslogs först 1929, och det fortsätter att användas eftersom det är ganska allmänt. Men när den modellen används för att titta på mer detaljerade situationer, det fungerar inte så bra.

Nu, två forskare från Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet (NTNU) har kommit med en justering av denna modell som förbättrar dess förmåga att beskriva trender i hur friktion fungerar för skiktade material som grafen i nanoskala. Deras resultat har publicerats i Naturkommunikation .

En ojämn yta av atomer

Innan du kan förstå vad forskarna gjorde, du måste först förstå hur forskare visualiserar friktion.

En yta kan se slät ut, men under ett kraftfullt mikroskop, ytan har tydligt stötar. Så när forskare vill använda en matematisk modell för att förklara friktion, de inkluderar denna ojämna yta i sina beräkningar.

"När vi säger friktion, folk kanske tänker på att försöka trycka en låda över en yta, sa David Andersson, en Ph.D. vid institutionen för maskin- och industriteknik vid NTNU som var uppsatsens första författare. "Men om du vill förstå var friktionen kommer ifrån, det är egentligen från kontakten mellan atomerna."

Friktion beskrivs sedan som den kraft som behövs för att dra en spets över denna ojämna atomyta. Det är i huvudsak hur Prandtl-Tomlinson modellen för friktion, publicerades första gången 1929, beskriver det. Och en av de viktigaste egenskaperna som modellen beskriver är något som händer när den här spetsen dras över den ojämna ytan:den kan fastna och sedan plötsligt glida.

Faktiskt, den här typen av stick- och glidbeteende mellan två ytor är till och med synligt på makroskalan – det är vad som händer på en geologisk skala när två tektoniska plattor rör sig förbi varandra. Människor i seismiskt aktiva zoner upplever plattornas glidning som en jordbävning.

Pusslet av tvådimensionella material

Grafen som tillsats till smörjmedel har använts i nästan två århundraden, men det var bara för ungefär ett decennium sedan som forskare började studera det och andra tvådimensionella material som det i detalj. Grafen är ett lager av kol som bara är en atom tjockt. Det kan vara ganska hala grejer.

När forskare började experimentera med lager av grafen och hur det påverkade friktionen mellan ytor, de upptäckte något konstigt, Andersson och hans medförfattare och handledare Astrid de Wijn sa.

Forskare fann att friktionen beror på antalet lager på vad forskarna fann var ett överraskande sätt:den var högst för enskiktsark av grafen och minskade med ökande antal lager. Prandtl-Tomlinson-modellen förutsade inte detta.

"Vad experimentalister gjorde var att lägga lager av grafen och andra 2D-material ovanpå varandra, och fann att friktionen minskar med antalet lager. Det skulle du inte förvänta dig, " de Wijn, en docent vid NTNU, sa. "Det var märkligt beteende."

Andra teoretiska och experimentella arbeten på grafenlager gav motsägelsefulla fynd.

Även om det kan vara frustrerande för akademiker, det är mer än bara ett akademiskt pussel. Forskare och ingenjörer som vill ta reda på hur man designar material eller smörjmedel för att minska slitage och friktion behöver modeller som hjälper dem att lägga grunden för sina ansträngningar.

Att lägga till komplexitet förbättrade modellen

Andersson och de Wijn bestämde sig för att titta på ett antal olika experimentella forskningsartiklar som beskrev motsägelsefulla fynd för att se om de kunde skapa en matematisk modell som skulle hjälpa till att förklara vad som pågick.

De insåg att de kunde förklara motsägelsefulla fynd genom att lägga till en ytterligare variabel till den hundraåriga friktionsmodellen Prandtl-Tomlinson. Medan den gamla modellen helt enkelt tittade på kraften det tog att flytta en punkt över en yta, när forskarna lade till en variabel som gjorde att de skiktade materialen kunde deformeras, den var mycket bättre på att förutsäga friktion på nanoskala än den gamla modellen.

"Till slut var det ett dussin experimentella papper som vi lyckades förklara på en gång, genom att lägga till komponenten som gör att de skiktade materialen deformeras, ", sa Andersson. "Vi hittade rätt sätt att utöka modellen för att lösa det här pusslet."

Praktiska applikationer för grafen

Forskarna hoppas att deras modell kan hjälpa andra forskare, speciellt när det kommer till grafen.

"Det finns många mysterier om grafen och hur det fungerar, " sa de Wijn. Men den reviderade modellen tillåter forskare att bättre förstå friktion i tunna ark av grafen och andra liknande material, Hon sa.

Till exempel, Hon sa, modellen är ett första steg i att hjälpa ingenjörer att förstå extrema förvrängningar och rivning av tunna ark som bara är atomtjocka när dessa lager utsätts för hög belastning.

"Under verkliga förhållanden, sådana extrema förvrängningar är vanliga och leder till att kemiska bindningar bryts, riva, ha på sig, och förlust av lågfriktionsförhållanden, ", skrev de Wijn och Andersson i sin tidning. "Detta är ett första steg och ökar möjligheten till bättre förståelse för slitage och snabbare, förståelsebaserad, utveckling av praktiska tillämpningar av grafen i lågfriktionsteknologier."