Beim Bewegen von Möbeln lassen sich schwere Gegenstände leichter bewegen, wenn Sie sie beim Schieben drehen. Viele Menschen tun dies intuitiv. Ein internationales Forscherteam aus Konstanz (Deutschland), Triest und Mailand (Italien) hat nun auf mikroskopischer Ebene die Verringerung der Haftreibung durch gleichzeitige Rotation untersucht.
In ihrer jüngsten Studie, die in veröffentlicht werden soll Körperliche Überprüfung X Am 15. Juni fanden die Forscher heraus, dass sich die Verringerung der Haftreibung eines mikroskopisch kleinen Objekts auf einer kristallinen Oberfläche durch Moiré-Muster beschreiben lässt, die entstehen, wenn sich periodische Muster überlagern. Basierend auf diesem Konzept sagen die Forscher einen ungewöhnlichen Zustand voraus, in dem mikroskopisch kleine Objekte durch Aufbringen eines minimalen Drehmoments in Rotation versetzt werden können. Dies könnte in Zukunft den Bau von Mikromaschinen mit ultraniedriger Haftreibung gegen Rotation ermöglichen.
Objekte in Bewegung setzen
Um ein Objekt in Bewegung zu versetzen, muss man es schieben, um seine Haftreibung mit der darunter liegenden Oberfläche zu überwinden. Dies gilt selbst dann, wenn die sich berührenden Oberflächen sehr glatt sind. Die tägliche Erfahrung lehrt uns, dass die Haftreibung viel geringer ist, wenn das Objekt nicht nur geschoben, sondern gleichzeitig gedreht wird. Auch wenn namhafte Gelehrte wie Leonardo da Vinci bereits vor mehr als 500 Jahren Reibungsphänomene untersucht haben, ist der Zusammenhang zwischen Haftreibungskräften und Drehmomenten noch immer nicht vollständig verstanden. Dies ist ziemlich bemerkenswert, da die Rotationsreibung aus der gleichen Wechselwirkung zwischen einem Objekt und der darunter liegenden Oberfläche entsteht wie die gut erforschte Translationsreibung.
Die komplexe Beziehung zwischen statischer Translations- und Rotationsreibung wird im mikroskopischen Maßstab noch faszinierender, wo flache Kontakte nur wenige hundert bis einige tausend Atome umfassen. „Solche Mikrokontakte kommen zum Beispiel in winzigen mechanischen Bauteilen vor, den sogenannten mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), deren Verhalten von Reibungseffekten dominiert wird“, sagt Professor Clemens Bechinger, Leiter des Forschungsteams und Professor für Experimentalphysik an der Universität Konstanz, ein Beispiel dafür, wo Reibungseffekte auf mikroskopischer Ebene eine wichtige Rolle spielen. Die Rotationsreibung und ihr Zusammenspiel mit der Translationsreibung für solch kleine Kontakte ist bisher eher unerforscht geblieben, da es technisch sehr schwierig ist, gut kontrollierte Drehmomente auf rotierende Mikroobjekte aufzubringen.
Moiré-Muster sind der Schlüssel
In ihrer aktuellen Studie, die experimentelle und theoretische Ansätze kombiniert, haben die Forscher aus Konstanz, Triest und Mailand diese Herausforderung gemeistert und die Rotationsreibung und ihr Zusammenspiel mit der Translationsreibung für mikroskopische Kontakte untersucht. „Für unsere Experimente haben wir kristalline Cluster aus mikrometergroßen Magnetkügelchen hergestellt und sie mit einer strukturierten Oberfläche mit sich regelmäßig wiederholenden Vertiefungen in Kontakt gebracht“, sagt Dr. Xin Cao, einer der Erstautoren der Studie und Humboldt-Stipendiat in der Arbeit Gruppe von Clemens Bechinger, beschreibt den Ausgangspunkt der Experimente. Er fährt fort: „Diese Einstellung ahmt den Kontaktbereich zwischen zwei atomar flachen Oberflächen nach.“
Die zweidimensionalen Cluster – mit Kontakten zur Oberfläche, die aus 10 bis 1000 kugelförmigen Partikeln bestehen – wurden dann mithilfe eines hoch kontrollierbaren rotierenden Magnetfelds in Rotationsbewegung versetzt. Das minimal erforderliche Drehmoment, um das jeweilige Cluster in Rotation zu versetzen, entspricht der rotatorischen Haftreibung, ähnlich der translatorischen Haftreibung, die die minimale Kraft charakterisiert, die erforderlich ist, um eine translatorische Bewegung des Clusters zu erreichen.
Die Forscher fanden in ihrer Studie heraus, dass sich das Zusammenspiel von Rotations- und Translationsreibung durch die Eigenschaften sogenannter Moiré-Muster nachvollziehen lässt. Diese Muster entstehen, wenn sich zwei oder mehr periodische Strukturen überlagern. „Optische Moiré-Muster lassen sich beispielsweise beobachten, wenn sich bei einem feinmaschigen Vorhang Falten und einzelne Lagen des Vorhangs überlagern“, erklärt Dr. Andrea Silva, zweite Erstautorin der Studie und Physikerin an der International School for Advanced Studies (SISSA). ) in Triest. „Die resultierenden Muster reagieren extrem empfindlich auf winzige Relativbewegungen und weisen geometrische Strukturen auf höherer Ebene auf, die in den überlappenden Strukturen selbst nicht vorhanden sind.“
Der Vorteil der gleichzeitigen Rotation
Um auf die Experimente zurückzukommen, beschreibt Andrea Silva: „Der Kontakt zwischen dem Partikelcluster und der darunter liegenden Oberfläche in Bereichen, in denen die Periodizitäten in der Struktur beider Objekte übereinstimmen, kann mit Eiern in einem Eierkarton verglichen werden.“ Ohne das Aufbringen externer Kräfte oder Drehmomente ist dieser Bereich der strukturellen Überlappung maximal, was bedeutet, dass sich eine große Anzahl von Partikeln des Clusters nahe dem Boden der Vertiefungen der strukturierten Oberfläche befindet, was zu einer hohen Haftreibung führt.
Wenn eine Kraft auf das Cluster ausgeübt wird, um es in eine bestimmte Richtung zu drücken, verschiebt sich der Bereich der strukturellen Überlappung zum Rand des Kontaktbereichs. Dadurch wird er kleiner. Allerdings bleibt eine große Anzahl von Partikeln in den Vertiefungen des Substrats „hängen“, so dass eine vergleichsweise große Kraft erforderlich ist, um den Bewegungswiderstand des Clusters zu überwinden und ihn vom Substrat abzulösen. Wird das Cluster hingegen mit einem Drehmoment verdreht, schrumpft der Überlappungsbereich symmetrisch. „Dadurch lässt sich das Cluster viel einfacher schieben und in Bewegung setzen, da der Bereich der strukturellen Überlappung bereits durch das aufgebrachte Drehmoment deutlich reduziert wurde“, erklärt Xin Cao, wie das gleichzeitige Drücken und Drehen die Haftreibung reduziert.
Anhand der Eigenschaften der beobachteten Moiré-Muster konnten die Physiker nicht nur erklären, warum zusätzliche Rotation die Translation mikroskopischer Objekte erleichtert, sondern auch Vorhersagen über die Abhängigkeit der Haftreibung gegen Rotationen von der Clustergröße treffen: Wenn letztere überschritten wird Ab einer bestimmten Schwelle nimmt die Haftreibung gegen Rotationen stark ab, was zu einem Zustand ultraniedriger Haftreibung für sehr große Cluster führt. „Ein solcher reibungsarmer Zustand kann für die Herstellung und Funktion kleiner mechanischer Geräte – von der atomaren bis zur Mikroskala – von großer Bedeutung sein und uns der Realisierung kleinerer und effizienterer Maschinen näher bringen“, schließt Clemens Bechinger.
Xin Cao et al., Moiré-Musterentwicklung koppelt Rotations- und Translationsreibung an kristallinen Grenzflächen. arXiv:2204.12336v1 [cond-mat.soft], arxiv.org/abs/2204.12336