In un recente articolo in Progressi scientifici , i ricercatori dell'Università di Amsterdam presentano nuove informazioni sperimentali su come funziona la lubrificazione. Hanno sviluppato un nuovo metodo che utilizza molecole fluorescenti per osservare direttamente film di lubrificazione nanometrici con una sensibilità di un singolo strato molecolare. La loro descrizione quantitativa della relazione tra topografia, la pressione di contatto e la lubrificazione forniscono una comprensione più profonda della lubrificazione.

L'attrito e l'usura sono responsabili di gran parte del consumo energetico mondiale e quindi contribuiscono enormemente alle emissioni di gas serra. Letteralmente ogni oggetto in movimento dissipa energia attraverso l'attrito. Esempi di grande impatto economico si possono trovare nei settori dei trasporti e dell'energia:si pensi a un motore a combustione interna oa una turbina a gas.

Per ridurre l'attrito e l'usura, i contatti striscianti e volventi sono tipicamente lubrificati. Ad esempio, in un motore a combustione interna, l'olio motore funge da lubrificante, impedendo il contatto solido su solido tra l'anello del pistone e la parete del cilindro, riducendo l'attrito e l'usura in questa interfaccia.

Strati di lubrificante più sottili

Generalmente, vi è una tendenza verso strati di lubrificazione più sottili a causa dei requisiti sempre più severi sull'uso dei materiali, richieste di maggiore efficienza, e la necessità di lubrificanti "più ecologici". In queste condizioni, la corretta lubrificazione e il funzionamento sicuro a lungo termine sono sempre più sensibili alla topografia delle superfici lubrificate. Sebbene molti studi in ingegneria e fisica abbiano portato ad un alto livello di comprensione della lubrificazione, su piccola scala in cui gli strati si disgregano, le domande significative sono ancora senza risposta. Un importante anello mancante è una visione sperimentale dettagliata dell'influenza delle specificità della topografia superficiale sulla transizione tra i diversi regimi di lubrificazione. In particolare, si discute molto sui fenomeni che si verificano quando lo spessore del film di lubrificazione si estende solo su poche molecole.

Collegamento della topografia superficiale con i fenomeni di lubrificazione

Studi fondamentali, ad esempio sulle forze di attrito utilizzando la microscopia a forza atomica, hanno fornito alcuni spunti. Però, poiché questi riguardano la scala microscopica, la loro rilevanza per i fenomeni macroscopici è limitata. D'altra parte, studiare l'interazione tra lubrificazione e topografia superficiale su scala macroscopica è molto impegnativo poiché lo strato di lubrificazione è sepolto tra due solidi ed è quindi di difficile accesso sperimentalmente.

Nella loro carta in Progressi scientifici , i ricercatori presentano ora i risultati di un nuovo approccio che consente la ricerca fondamentale a livello macroscopico con altissima risoluzione, collegare la topografia superficiale con i fenomeni di lubrificazione. La ricerca è stata condotta presso il Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) e l'Istituto di Fisica (IOP) dell'Università di Amsterdam. Ricercatori del Centro di ricerca avanzato olandese per la nanolitografia (ARCNL), Università di Twente (Enschede, Paesi Bassi) e l'Université Paris-Saclay (Parigi, Francia) ha contribuito allo studio.

Sonde molecolari fluorescenti

Al gruppo ARCNL Contact Dynamics del Dr. Bart Weber, l'attenzione si concentra sugli aspetti fondamentali dell'attrito e dell'usura con rilevanza per le sfide di posizionamento nella nanolitografia. Per la ricerca ora pubblicata in Progressi scientifici , il gruppo ha unito le forze con il Prof. Fred Brouwer e il Prof. Daniel Bonn dell'Università di Amsterdam, dove la prima autrice, la dott.ssa Dina Petrova, ha conseguito il dottorato di ricerca. all'inizio di quest'anno.

I ricercatori hanno eseguito esperimenti di attrito con un lubrificante molto speciale inventato dai coautori francesi Dr. Clémence Allain e Prof. Pierre Audebert:un liquido puro costituito da molecole fluorescenti. Lubrificando trasparente, contatti vetro su vetro con questo liquido, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare direttamente il film lubrificante di poche molecole di spessore. Dopo l'eccitazione del liquido fluorescente attraverso il vetro, hanno misurato l'intensità di fluorescenza locale che è proporzionale al numero di molecole presenti all'interfaccia. I risultati sperimentali sono stati confrontati con le previsioni teoriche sviluppate congiuntamente dal Prof. Kees Venner dell'Università di Twente.

Transizione vetrosa

Analizzando quantitativamente la relazione tra la topografia superficiale, lo spessore del film lubrificante e l'attrito, i ricercatori mostrano che il confinamento del lubrificante tra le superfici di scorrimento porta a una transizione vetrosa, il che significa che il fluido diventa altamente viscoso e quindi resiste a essere spremuto fuori dall'interfaccia.

Però, l'aumento della viscosità non è sempre sufficiente per prevenire lo squeeze-out. All'interfaccia, esiste una competizione tra la pressione e la viscosità del lubrificante. La pressione interfacciale dipende dall'area portante controllata dalla topografia superficiale:più ruvide le due superfici, minore è l'area di contatto (potenziale). Grazie al loro allestimento sperimentale, i ricercatori sono stati in grado di descrivere quantitativamente questa relazione tra topografia, pressione di contatto e lubrificazione. I risultati forniscono quindi una comprensione più profonda di come funziona la lubrificazione e possono aiutare a prevedere il comportamento di attrito in una moltitudine di sistemi lubrificati con un grande impatto sociale.