L'attrito si crea quando due superfici scorrono una sopra l'altra. Poiché questo consuma energia aggiuntiva, questo cosiddetto attrito radente è considerato un aspetto fastidioso ma inevitabile dei processi dinamici. Però, mettere in movimento un oggetto fermo, il suo attrito statico deve essere vinto per primo. In collaborazione con i loro colleghi italiani, i ricercatori dell'Università di Costanza hanno dimostrato come eliminare completamente l'attrito statico tra due superfici. Ciò significa che anche una minuscola forza è sufficiente per mettere in movimento gli oggetti. Soprattutto nelle parti micromeccaniche, dove sono in gioco solo piccole forze, un attrito statico che scompare può portare a livelli di efficienza enormemente migliorati. Questi risultati sono stati pubblicati nell'attuale edizione della rivista online Revisione fisica X ( PRX ).
Per spostare un blocco di legno su un tavolo è necessario tirarlo. Quando Leonardo da Vinci esaminò sistematicamente questa relazione apparentemente semplice più di 500 anni fa, scoprì le leggi fondamentali dell'attrito radente. Poiché l'attrito radente di solito genera calore, bisogna tirare costantemente il pezzo di legno per compensare le perdite per attrito. Però, per generare movimento in primo luogo, non è attrito radente ma attrito statico che deve essere superato. L'attrito statico è tipicamente maggiore dell'attrito radente ed è il risultato della struttura atomica delle superfici di contatto che si bloccano in posizione. Le superfici possono liberarsi e muoversi l'una contro l'altra solo una volta che la forza applicata ha raggiunto livelli adeguati.
Collaborando con fisici delle Università di Milano e Trieste, un gruppo di lavoro dell'Università di Costanza guidato dal professor Clemens Bechinger è stato in grado di condurre esperimenti e simulazioni numeriche confermando una previsione fatta dal fisico Serge Aubry negli anni '80:ha postulato che, se la spaziatura reticolare tra le particelle in una superficie dovesse differire leggermente dalla spaziatura reticolare nell'altra, l'attrito tra le due superfici dovrebbe scomparire del tutto. Questo dovrebbe applicarsi anche se le due superfici vengono premute insieme. In termini pratici, ciò significherebbe che una forza casualmente piccola sarebbe sufficiente per spostare un pezzo di legno del peso di tonnellate su una superficie.
Questo effetto può essere osservato particolarmente bene nei contatti ideali, dove entrambe le superfici sono perfettamente piatte l'una contro l'altra. È questo tipo di superfici che Clemens Bechinger e il suo team sono stati in grado di creare in un sistema modello:utilizzando raggi laser e sfere di vetro nella gamma dei micrometri, cosiddetti colloidi, sono stati in grado di creare un modello bidimensionale di due superfici che si sfregano l'una contro l'altra. Poiché le sfere caricate elettricamente si respingono, si posizionano in uno strato piano periodicamente ordinato. Questo monostrato colloidale forma una delle due superfici. I ricercatori hanno creato la seconda superficie sotto lo strato di colloidi utilizzando tre raggi laser. Come risultato della loro sovrapposizione si forma un cristallo di luce, che è una sorta di portauova ottico con rientranze e creste. "Rispetto alle superfici reali, queste superfici ottiche hanno il vantaggio aggiuntivo di essere completamente trasparenti, il che significa che possiamo osservare direttamente i processi in atto tra di loro usando un microscopio, "dice Thorsten Brazda, il ricercatore di dottorato che ha condotto gli esperimenti nel gruppo di Bechinger per la sua tesi di dottorato.
Mentre Aubry limitava la sua previsione a contatti unidimensionali a temperature di punto zero, la collaborazione di ricerca è stata in grado di dimostrare che esteso, i contatti bidimensionali a temperatura ambiente possono essere messi in movimento anche senza attrito statico. "Siamo stati in grado di trasformare la configurazione unidimensionale artificiale di Aubry in una situazione realistica e dimostrare che la sua idea rimane valida nei sistemi bidimensionali e a temperature finite, "dice Clemens Bechinger.
L'osservazione diretta dei movimenti delle particelle ha anche permesso ai ricercatori di comprendere la scomparsa dell'attrito statico tra il monostrato colloidale e il cristallo di luce:si scopre che il monostrato colloidale si torce leggermente rispetto alla griglia ottica. Quel modo, le particelle non si agganciano agli incavi del substrato, da cui non sarebbe stato facile fuggire. Anziché, alcuni di loro si posizionano intorno alle creste. Se viene applicata una forza esterna, queste particelle non devono fuoriuscire dai recessi ma sono libere di muoversi immediatamente non appena viene esercitata una forza minima. L'attrito statico scompare.
Questi risultati, che sono in ottimo accordo con le simulazioni numeriche effettuate dal team italiano, dimostrare che l'attrito statico non può essere solo soppresso, ma anche generata a piacere se si aumenta la pressione di contatto tra le due superfici. Questo è importante in quanto l'attrito statico, a differenza dell'attrito radente, è spesso un fenomeno desiderato. Ci consente di afferrare gli oggetti in modo sicuro e garantisce che le ruote abbiano una presa sufficiente. Questo modo di variare l'attrito statico crea nuove opportunità per spostare facilmente gli oggetti sulle superfici e per bloccarli in posizione in modo sicuro. Ciò sarebbe di immenso vantaggio nei riduttori o giunti micro e nanomeccanici, da, qui, in genere sono in gioco solo forze molto piccole.
