L'usura superficiale descrive il processo di perdita di materiale quando due superfici entrano in contatto l'una con l'altra. Ha un notevole impatto economico, conseguenze sociali e sanitarie:si consideri il particolato fine emesso dai veicoli in movimento. Cosa c'è di più, può essere osservato a tutti i livelli, dalla nanoscala fino alla scala delle faglie tettoniche, con la formazione di sgorbia. Ci sono diversi meccanismi di usura, tuttavia il tipo adesivo è il più comune. Si verifica quando due superfici, come due pezzi dello stesso metallo, si sfregano l'una contro l'altra e aderiscono.

Uno dei parametri che influenzano il meccanismo di usura è la rugosità superficiale. Una migliore comprensione di come cambia la rugosità superficiale durante il processo di usura migliorerebbe il nostro controllo su questo meccanismo. Ciò potrebbe portare a significative riduzioni dei consumi energetici, emissioni di gas serra e costi.

I ricercatori del Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) dell'EPFL hanno compiuto un passo importante in questa direzione. Hanno simulato digitalmente come la rugosità della superficie cambia nel tempo, e i loro risultati sono in linea con i risultati sperimentali. Ciò che distingue le loro simulazioni è la loro durata:utilizzando un metodo sviluppato all'EPFL, i ricercatori LSMS sono stati in grado di simulare questi meccanismi per un lungo periodo di tempo. In altre parole, sono riusciti a catturare l'intero processo, dalla geometria iniziale alla geometria frattale finale. I loro risultati sono stati pubblicati l'8 marzo in Comunicazioni sulla natura .

Questo studio è il terzo dei ricercatori LSMS sull'usura adesiva. Il loro primo studio, pubblicato nel 2016 in Comunicazioni sulla natura - ha utilizzato simulazioni digitali per descrivere come il processo di usura adesiva ha prodotto particelle fini. Nel 2017, portando avanti le loro simulazioni, sono usciti con un secondo studio, apparendo questa volta in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , dimostrando che era possibile prevedere il volume, forma e dimensione di queste particelle.

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Gli scienziati sono ancora lontani dal comprendere appieno la fisica alla base dell'usura, e gli ingegneri devono comunque effettuare esperimenti ad hoc per ogni situazione. Ciò che è noto, però, è che le superfici usurate mostrano una caratteristica morfologia frattale, chiamato autoaffine, che ha alcune proprietà fondamentali indipendentemente dal materiale e dalla scala. Le origini di questa morfologia autoaffine sono ancora sconosciute.

È stato fatto poco lavoro su come la rugosità della superficie cambia nel tempo ed è stato per lo più sperimentale. Un limite degli esperimenti è che, a causa dei detriti che si formano, non è facile monitorare come cambia la morfologia superficiale durante il processo di sfregamento. I ricercatori hanno superato questo problema attraverso le loro simulazioni digitali, che forniscono un flusso costante di dati.

Simulazioni digitali potenti

"Abbiamo utilizzato simulazioni al computer ad alte prestazioni per tracciare il cambiamento nella morfologia della superficie nei materiali 2-D, "dice Enrico Milanese, un dottorato di ricerca studente presso l'LSMS. "Nelle nostre simulazioni, abbiamo osservato che il contatto tra due superfici genera sempre una particella di detriti da usura. Quella particella è quindi costretta a rotolare tra le due superfici, indossandoli. Questo ci ha portato a concludere che i detriti da usura devono essere presenti affinché le superfici sviluppino la loro caratteristica ruvidità autoaffine".

Nel futuro, i ricercatori LSMS sperano di esplorare le origini dell'usura adesiva applicando il loro approccio di simulazione a modelli 3D di materiali che interessano l'industria.