När du flyttar möbler är tunga föremål lättare att flytta om du roterar dem samtidigt som du trycker. Många människor gör detta intuitivt. Ett internationellt forskarlag från Konstanz (Tyskland), Trieste och Milano (Italien) har nu i mikroskopisk skala undersökt minskningen av statisk friktion som orsakas av samtidig rotation.

I deras senaste studie, som kommer att publiceras i Physical Review X den 15 juni fann forskarna att minskningen av statisk friktion hos ett mikroskopiskt föremål på en kristallin yta kan beskrivas av moirémönster, som uppstår när periodiska mönster överlagras. Baserat på detta koncept förutspår forskarna ett ovanligt tillstånd, där mikroskopiska föremål kan ställas i rotation genom att applicera ett minimalt vridmoment. I framtiden kan detta möjliggöra konstruktion av mikromaskiner med ultralåg statisk friktion mot rotation.

Sätta objekt i rörelse

För att sätta ett föremål i rörelse måste man trycka på det för att övervinna dess statiska friktion med den underliggande ytan. Detta gäller även om beröringsytorna är mycket släta. Daglig erfarenhet lär oss att den statiska friktionen är mycket mindre när föremålet inte bara skjuts, utan samtidigt roteras. Även om kända forskare, som Leonardo da Vinci, redan har studerat friktionsfenomen för mer än 500 år sedan, är förhållandet mellan statiska friktionskrafter och vridmoment fortfarande inte helt förstått. Detta är ganska anmärkningsvärt, med tanke på att rotationsfriktionen härrör från samma interaktion mellan ett föremål och den underliggande ytan som den välutforskade translationella friktionen.

Det komplexa förhållandet mellan statisk translationell och rotationsfriktion blir ännu mer spännande på mikroskopisk skala, där platta kontakter involverar endast några hundra till några tusen atomer. "Till exempel förekommer sådana mikrokontakter i små mekaniska anordningar - kända som mikroelektromekaniska system (MEMS) - vars beteende domineras av friktionseffekter", säger professor Clemens Bechinger, chef för forskargruppen och professor i experimentell fysik vid den University of Konstanz, som ger ett exempel på var friktionseffekter spelar en viktig roll på mikroskopisk skala. Rotationsfriktion och dess samspel med translationsfriktion för så små kontakter har förblivit ganska outforskat, eftersom det tekniskt sett är mycket utmanande att tillämpa välkontrollerade vridmoment på roterande objekt i mikroskala.

Moirémönster är nyckeln

I sin senaste studie - som kombinerar experimentella och teoretiska tillvägagångssätt - har forskarna från Konstanz, Trieste och Milano övervunnit denna utmaning och undersökt rotationsfriktion och dess samspel med translationell friktion för mikroskopiska kontakter. "För våra experiment skapade vi kristallina kluster gjorda av magnetiska sfärer i mikron och förde dem i kontakt med en strukturerad yta med regelbundet upprepade brunnar," Dr. Xin Cao, en av huvudförfattarna till studien och Humboldt Fellow i arbetet. grupp av Clemens Bechinger, beskriver utgångspunkten för experimenten. Han fortsätter:"Denna inställning efterliknar kontaktytan mellan två atomärt plana ytor."

De tvådimensionella klustren - med kontakter till ytan bestående av 10 till 1000 sfäriska partiklar - sattes sedan i rotationsrörelse med hjälp av ett mycket kontrollerbart roterande magnetfält. Det minsta vridmoment som krävs för att få respektive kluster att rotera motsvarar den statiska rotationsfriktionen, liknande den statiska translationsfriktionen, som kännetecknar den minsta kraft som krävs för att uppnå en translationsrörelse av klustret.

I sin studie fann forskarna att samspelet mellan rotations- och translationsfriktion kan förstås genom egenskaperna hos det som kallas moirémönster. Dessa mönster uppstår när två eller flera periodiska strukturer överlagras. "Optiska moirémönster kan till exempel observeras när en finmaskig gardin rynkar och enskilda lager av gardinen överlappar varandra", förklarar Dr Andrea Silva, andra huvudförfattare till studien och fysiker vid International School for Advanced Studies (SISSA) ) i Trieste. "De resulterande mönstren är extremt känsliga för små relativa rörelser och uppvisar geometriska strukturer på högre nivå som inte finns i själva de överlappande strukturerna."

Fördelen med samtidig rotation

För att komma tillbaka till experimenten beskriver Andrea Silva:"Kontakten mellan partikelklustret och den underliggande ytan i områden där periodiciteterna i strukturen hos båda föremålen matchar kan jämföras med ägg i en äggkartong." Utan att applicera yttre krafter eller vridmoment är detta område av strukturell överlappning vid ett max, vilket innebär att ett stort antal partiklar i klustret är nära botten av brunnarna på den mönstrade ytan, vilket resulterar i hög statisk friktion.

När en kraft appliceras på klustret för att trycka det i en viss riktning, skiftar området med strukturell överlappning till kanten av kontaktytan. Som ett resultat blir den mindre. Emellertid förblir ett stort antal partiklar "fastnat" i substratets brunnar, så att en jämförelsevis stor kraft krävs för att övervinna klustrets motstånd mot rörelse och för att avgränsa det från substratet. Om å andra sidan klustret vrids med ett vridmoment, krymper överlappningsområdet symmetriskt. "Detta gör det mycket lättare att skjuta klustret och sätta det i rörelse, eftersom området med strukturell överlappning redan har reducerats avsevärt av det applicerade vridmomentet", säger Xin Cao och förklarar hur samtidig tryckning och rotation minskar statisk friktion.

Baserat på egenskaperna hos de observerade moirémönstren kunde fysikerna inte bara förklara varför ytterligare rotation underlättar translationen av mikroskopiska föremål, utan också göra förutsägelser om beroendet av den statiska friktionen mot rotationer på klusterstorleken:När den senare överskrider en viss tröskel minskar den statiska friktionen mot rotationer kraftigt, vilket resulterar i ett tillstånd av ultralåg statisk friktion för mycket stora kluster. "Ett sådant lågfriktionstillstånd kan vara mycket relevant för tillverkning och funktion av små mekaniska enheter - från atomär till mikroskalan - vilket för oss närmare att förverkliga mindre och mer effektiva maskiner", avslutar Clemens Bechinger. + Utforska vidare

Friktionens gränser