Onderzoekers onderzoeken grensvlakafschuiving voor een meer wrijvingsloze toekomst

Professor in chemische en biomoleculaire engineering Elisa Riedo en haar team hebben een fundamentele wrijvingswet ontdekt die leidt tot een dieper begrip van energiedissipatie in wrijving en het ontwerp van tweedimensionale materialen die in staat zijn om energieverlies te minimaliseren.

Wrijving is een alledaags fenomeen; het stelt bestuurders in staat om hun auto te stoppen door te breken en dansers om ingewikkelde bewegingen uit te voeren op verschillende vloeroppervlakken. Het kan echter ook een ongewenst effect zijn dat de verspilling van grote hoeveelheden energie in industriële processen, de transportsector en elders veroorzaakt. Tribologen – degenen die de wetenschap bestuderen van op elkaar inwerkende oppervlakken in relatieve beweging – hebben geschat dat een kwart van de wereldwijde energieverliezen te wijten is aan wrijving en slijtage.

Hoewel wrijving zeer wijdverbreid en relevant is in de technologie, zijn de fundamentele wetten van wrijving nog steeds onduidelijk, en pas onlangs hebben wetenschappers de vooruitgang in nanotechnologie kunnen gebruiken om bijvoorbeeld de microscopische oorsprong van de wet van da Vinci te begrijpen, die stelt dat wrijvingskrachten zijn evenredig met de toegepaste belasting.

Nu hebben Riedo en haar NYU Tandon-postdoctoraal onderzoeker Martin Rejhon een nieuwe methode gevonden om de grensvlakschuif tussen twee atomaire lagen te meten en ontdekten dat deze hoeveelheid omgekeerd evenredig is met wrijving, volgens een nieuwe wet.

Dit werk, uitgevoerd in samenwerking met NYU Tandon-student Francesco Lavini en collega’s van de International School for Advanced Studies, het International Centre for Theoretical Physics in Triëst, Italië en de Charles University in Praag, zou kunnen leiden tot efficiëntere productieprocessen, groenere voertuigen en een over het algemeen duurzamere wereld.

“De interactie tussen een enkele atomaire laag van een materiaal en het substraat bepaalt de elektronische, mechanische en chemische eigenschappen”, legt Riedo uit, “dus het verkrijgen van inzicht in dat onderwerp is belangrijk, zowel op fundamenteel als technologisch niveau, bij het vinden van manieren om de het energieverlies veroorzaakt door wrijving.”

De onderzoekers bestudeerden bulkgrafiet- en epitaxiale grafeenfilms die waren gegroeid met verschillende stapelvolgorden en draaien, waarbij de moeilijk toegankelijke transversale afschuifmodulus van een atomaire laag op een substraat werd gemeten. Ze ontdekten dat de modulus (een maat voor het vermogen van het materiaal om afschuifvervormingen te weerstaan ​​en stijf te blijven) grotendeels wordt bepaald door de stapelvolgorde en de atomaire laag-substraat interactie en toonden het belang ervan aan bij het beheersen en voorspellen van glijdende wrijving in ondersteunde tweedimensionale materialen .

Hun experimenten lieten een algemeen wederkerig verband zien tussen wrijvingskracht per eenheid contactoppervlak en grensvlakschuifmodulus voor alle grafietstructuren die ze onderzochten.

Hun paper werd gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

“Onze resultaten kunnen ook worden gegeneraliseerd naar andere 2D-materialen”, beweert Riedo, hoofd van het PicoForce Lab van NYU Tandon. “Dit biedt een manier om atomaire glijdende wrijving en andere grensvlakfenomenen te beheersen, en heeft potentiële toepassingen in geminiaturiseerde bewegende apparaten, de transportindustrie en andere rijken.”

“Elisa’s werk is een goed voorbeeld van de inzet van NYU Tandon voor een duurzamere toekomst”, zegt decaan Jelena Kovačević, “en een bewijs van het onderzoek dat wordt gedaan bij ons onlangs gelanceerde Sustainable Engineering Initiative, dat zich richt op het aanpakken van klimaatverandering en milieuverontreiniging door middel van een vierledige aanpak die we AMRAd noemen, voor vermijden, mitigeren, herstellen en aanpassen.”