Studie verbindt nano- en macro-aspecten van alledaagse kracht

Zonder de kracht die wrijving wordt genoemd, zouden auto’s van de rijbaan glijden, zouden mensen niet over het trottoir kunnen lopen en zouden voorwerpen van je aanrecht op de vloer vallen. Toch blijft de werking van wrijving op moleculaire schaal slecht begrepen.

Met behulp van complexe modellering en computersimulaties bestudeerde een team onder leiding van een postdoctoraal onderzoeker aan de Johns Hopkins Whiting School of Engineering en de Krieger School of Arts and Sciences wrijving op zowel moleculaire als macroscopische schaal. De studieresultaten van het team, die verschijnen in ACS Nanoniet alleen licht werpen op wrijving in het algemeen, maar ook het ontwerp van verbeterde prothetische apparaten en kunstmatige gewrichten kunnen ondersteunen.

“Wrijving is raadselachtig omdat het niet wordt beheerst door een enkele interactie, zoals aantrekking tussen ladingen; het komt voort uit een combinatie van processen die op verschillende schalen kunnen plaatsvinden. In ons werk hebben we geprobeerd de nano- en macrowerelden voor een bepaald kenmerk te koppelen van wrijving die veroudering wordt genoemd, waarbij de ene vaste stof lange tijd op de andere rust zonder te verschuiven, neemt de kracht toe die nodig is om ze uit elkaar te schuiven. Instituut voor Mikrosystemtechnik.

Leden van het onderzoeksteam van het Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes van de École Centrale de Lyon in Frankrijk hadden eerder experimenten uitgevoerd die een zeer gedetailleerd beeld gaven van de wrijvingsreactie van oppervlakken bedekt met vetzuren, een milieuvriendelijke familie van smeermiddelen, maar die alleen konden verklaren niet het fenomeen achter veroudering.

Met behulp van metingen van oppervlakteruwheid en de eigenschappen van de enkele molecuul dikke laag vetzuurmoleculen, kon het team van Johns Hopkins het verouderingsproces reproduceren in een moleculaire simulatie.

“Onze simulatie stelde ons in staat om dingen te proberen die onmogelijk waren in experimenten, zoals wat er zou gebeuren als de oppervlakken die in contact komen wiskundig vlak waren”, zegt teamlid Jaafar El-Awady, professor werktuigbouwkunde aan de Whiting School.

Ze ontdekten dat de belangrijkste oorzaak van veroudering oppervlakteruwheid was. Sterker nog, de modellen zonder ruwheid verouderen volgens Frérot helemaal niet.

“Dit was verrassend omdat de oppervlakteruwheid gemeten door het team in Lyon extreem klein was; de hoogste berg en de diepste vallei van het oppervlak zouden ongeveer de lengte van één vetzuurmolecuul van elkaar verwijderd zijn”, zei hij.

Het team concludeerde dat zelfs zo’n kleine hoeveelheid ruwheid voldoende is om te voorkomen dat de moleculen contact maken over het hele oppervlak, waardoor de moleculen aan de randen van contactpunten vrij kunnen bewegen. Na verloop van tijd komen meer moleculen met elkaar in contact, wat resulteert in veroudering.

Hoewel het ontdekte mechanisme niet het enige is dat kan verklaren waarom wrijvingssystemen verouderen, gelooft het team dat het kan worden toegepast op een breed scala aan systemen waar ketenachtige moleculen, zoals de bestudeerde vetzuren, een beschermende laag op een oppervlak vormen.

“Dit is het geval in biologische systemen zoals gewrichten, en als we die systemen beter begrijpen, kunnen we betere en duurzamere prothesen ontwerpen. In meer algemene zin is het begrijpen van de fysica achter wrijving belangrijk bij het ontwerpen van duurzame systemen.” schat dat ongeveer 23% van het wereldwijde energieverbruik verloren gaat door wrijving’, zei Frérot.

Leden van het onderzoeksteam merken op dat het ontwerp van de simulaties die in deze studie zijn gebruikt, oorspronkelijk was bedacht door Mark O. Robbins, een voormalige collega van het Johns Hopkins Department of Physics and Astronomy, die stierf in 2020.

“Lucas en ik gingen toen door met de simulaties met onze medewerkers om de doelen met succes te bereiken en om het op te dragen ter nagedachtenis aan Mark”, zei El-Awady.