Revolutie in wrijving: een manier om super-gladde materialen te maken

Wetenschappers van de faculteit natuurkunde en toegepaste informatica aan de Universiteit van Lodz hebben gepubliceerd Een artikel over wrijving in het tijdschrift Klein. Hun onderzoek naar “Bismuth-eilanden” die op het oppervlak van grafiet bewegen, bevestigde het bestaan ​​van een volledig nieuwe vorm van zogenaamde superlubriciteit-een wrijvingsvrij contact tussen twee vaste lichamen.

Deze ontdekking kan in de toekomst een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we nanoschaalmachines en zelfs voertuigen ontwerpen. Door deze processen te begrijpen, kunnen we apparaten maken die veel efficiënter kunnen werken, waardoor energie en middelen worden bespaard.

Wetenschappers onder leiding van Dr. Hab. Paweł Kowalczyk, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Lodz, heeft een nieuw fenomeen ontdekt dat verband houdt met het verdwijnen van wrijving – superlubriciteit. Dit speciale fenomeen werd waargenomen bij het contact van twee vaste materialen, bismut en grafiet.

Bismuth is opzettelijk afgezet op het oppervlak van grafiet (hetzelfde materiaal in uw potloodkabel) en vormt extreem platte kristallen, zo dun dat hun dikte slechts 2 atomen breed is. De eerste verrassing was dat de Bismuth -kristallen zich bewegen op het oppervlak van grafeen, langs rechte lijnen. Dit is het allereerste rapport van dit fenomeen, verandert de manier waarop we denken over wrijving en hechting van materialen en opent toekomstige onderzoeks- en ontwikkelingsideeën voor wrijvingsreductie.

Wat is superlubriciteit?

Superlubriciteit is een voorwaarde waarin de wrijving tussen vaste materialen onmerkbaar wordt. Onder normale omstandigheden maakt de wrijving tussen twee oppervlakken het moeilijk om ze ten opzichte van elkaar te verplaatsen, omdat er krachten zijn die de atomen in beide materialen binden, alsof ze verbonden zijn door kleine veren.

In superlubriciteitssystemen zijn deze kleine veren echter zo zwak dat de twee lichamen zonder weerstand kunnen bewegen. Dit fenomeen is al vele jaren relatief bekend en het is de reden waarom veel commerciële smeermiddelen grafiet bevatten. De atomaire lagen in grafiet zijn zwak gebonden en kunnen gemakkelijk van elkaar glijden.

Tot op heden is superlubriciteit altijd isotropisch geweest: de wrijving wordt in alle richtingen in gelijke mate geannuleerd. Nu, met deze nieuwe ontdekking, is een nieuwe vorm van superlubriciteit bereikt, waarbij de wrijving slechts nul is in één richting en conventionele wrijving in andere richtingen heeft.

Je kunt hier zelfs thuis experimenteren. Nadat u op grafiet gebaseerde potloden hebt gebruikt en voordat u uw handen hebt gewassen, wrijft u uw grafiet-gecoate vingers samen. Je kunt eigenlijk de extreem lage wrijving voelen, omdat de uiteinden van je vingers heel gemakkelijk kunnen bewegen en het hele ding erg “glad” aan voelt.

Hoe werkt het?

Microscopische sequenties die in het artikel worden gepresenteerd, laten zien dat de bismut -kristallen die op het oppervlak van grafiet zijn afgezet helemaal niet stationair zijn. Hoewel ze vaste stoffen zijn, gedragen ze zich een beetje als oliedruppels op een heet oppervlak en gaan ze constant van plaats naar plaats.

Verrassend genoeg vindt hun beweging altijd plaats langs rechte lijnen, vanwege een zeer specifieke opstelling van hun atomaire roosters. Deze rechte lijnen doen denken aan snelwegen, en omdat ze snelle collectieve beweging van kristallen in één richting mogelijk maken, worden ze nano-highways genoemd.

Wanneer de statistische verdeling van de kristaltrajecten wordt gemeten, blijkt dat deze kan worden beschreven met behulp van een machtswet – dat wil zeggen dat de meeste bismut -kristallen spontaan op het oppervlak bewegen langs zeer korte afstanden, zoals zeer korte lengtes van 10 of 20 nm; Maar een aanzienlijk aantal kristallen reist ook veel grotere afstanden, tot 1000 nm. Interessant is dat deze nano-hoogweglengtes een soort willekeurige wandeling volgen genaamd “Lévy Flight”. Deze manier om statistisch over het oppervlak te bewegen is uiterst zeldzaam in de studie van vaste materialen.

Dit type beweging is vooral interessant omdat het in veel onverwachte natuurgebieden voorkomt, met name in collectieve en intelligente systemen, zoals dieren die op zoek zijn naar voedsel. Om te overleven, worden foerageerpatronen geoptimaliseerd wanneer, af en toe, grote reisafstanden worden gemaakt om te voorkomen dat ze naar voedsel zoeken in lege gebieden te lang. Dit vindt niet alleen plaats in natuurlijke systemen, maar ook in mensen: de informatiestroom op internet en de aandelenmarkt gedraagt ​​zich ook volgens Lévy Flight Statistics.

Waarom is het belangrijk?

Deze ontdekking kan belangrijke implicaties hebben voor de toekomst van nanotechnologie. Door bijvoorbeeld te begrijpen hoe deze eilanden op grafiet gaan, kunnen wetenschappers materialen ontwikkelen met veel lagere wrijving, wat veel meer aanwezig is in microscopische systemen dan in grootschalige objecten.

Dergelijke materialen kunnen in verschillende apparaten worden gebruikt, van precisiemachines tot voertuigen, die, dankzij lagere wrijving, efficiënter zouden zijn en minder onderhevig zijn aan slijtage. Dit zou ons op zijn beurt in staat stellen om te besparen op energiekosten (de energie die wordt besteed aan het verplaatsen van het object zal niet in warmte worden) en materiaalbesparingen (veel minder reparatie zullen vereist zijn), wat een positieve invloed op het milieu zou hebben. Als wrijving helemaal uit de samenleving zou kunnen worden verwijderd, zou de mensheid bijna een kwart van de CO2 -uitstoot besparen.

In de toekomst zijn de onderzoekers van plan om nog meer onderzoek uit te voeren waarmee ze beter kunnen begrijpen hoe verschillende factoren, zoals temperatuur, de grootte van de eilanden en het type defecten op het grafietoppervlak, de wrijving en beweging van deze eilanden beïnvloeden. Ze zijn ook op zoek naar andere materialen die vergelijkbare eigenschappen hebben.