I ricercatori di Skoltech hanno spiegato perché l'attrito molto debole obbedisce a leggi diverse da quelle che governano l'attrito regolare come lo conosciamo dalla fisica scolastica. Tra le altre caratteristiche inaspettate e controintuitive, le leggi di attrito alternative formulate dal team rivelano perché l'aumento del peso di un corpo che scivola lungo una superficie non provoca necessariamente un maggiore attrito.

Comprendere come funziona l’attrito a livello microscopico potrebbe aprire la strada al controllo e allo sfruttamento dell’attrito ultrabasso in numerosi meccanismi che farebbero risparmiare enormi quantità di energia in tutto il mondo. I ricercatori riportano i loro risultati in Physical Review Letters .

In una certa misura, tutti hanno un senso intuitivo della cosiddetta legge di attrito di Amontons-Coulomb, le cui manifestazioni osserviamo abitualmente nella vita di tutti i giorni. Formulato più di 300 anni fa, afferma che l'attrito, che si verifica, ad esempio, quando si trascina un corpo pesante sul terreno, aumenta con il peso del corpo. Si dice che i due valori, la forza di attrito e il peso del corpo, siano direttamente proporzionali tra loro.

"Sorprendentemente, questa legge non vale per la superlubrificazione, il caso di attrito estremamente basso", afferma il professor Nikolay Brilliantov di Skoltech, il ricercatore principale dello studio.

"L'attrito superlubrificante, che è ordini di grandezza inferiore all'attrito convenzionale, non dipende dal peso del corpo, per dirla in termini semplici. Puoi aumentare il peso del corpo migliaia di volte, ad esempio da un chilogrammo a poche tonnellate —ma l'attrito non cambierà, rimanendo piccolo quanto 1 chilogrammo. Questo fenomeno è davvero intrigante e richiede una spiegazione."

Ci sono un paio di altre caratteristiche sorprendenti della superlubrificazione, come l'insolita dipendenza della forza di attrito dalla velocità di scorrimento, dalla temperatura e dall'area di contatto:tutto ciò va contro le convenzionali leggi di Amontons-Coulomb.

Un team di ricercatori della Skoltech guidato da Brilliantov ha risolto l'enigma della superlubrificabilità. Hanno effettuato uno studio complesso, con esperimenti condotti dal gruppo del professor Albert Nasibulin, simulazioni numeriche eseguite dal ricercatore Alexey Tsukanov del gruppo di Brilliantov e la concettualizzazione teorica del fenomeno fornita dallo stesso Brilliantov.

Il team ha spiegato il meccanismo atomistico dietro la sconcertante indipendenza della forza di attrito dal peso del corpo scorrevole (dal "carico normale", in termini scientifici) e ha formulato leggi di attrito alternative per la superlubrificazione. Descrivono bene il fenomeno ma contrastano nettamente con le leggi di Amontons-Coulomb.

In termini semplici, gli effetti sconcertanti possono essere spiegati come segue. La superlubrificazione è associata a superfici molto lisce, fino al livello atomico, come la superficie del grafene, materiale a base di carbonio. Inoltre, il contatto delle due superfici dovrebbe essere incommensurabile. Ciò significa che la rugosità a livello atomico (chiamata anche ondulazione) delle due superfici non dovrebbe essere reciprocamente coerente.

In altre parole, le potenziali “colline” di una superficie non dovrebbero adattarsi ai potenziali “pozzi” dell’altra. Se le “colline” e i “pozzi” si incastrano, le due superfici si incastrano, ed è necessaria una forza notevole per farle scorrere. Le superfici non commisurate invece non si bloccano e quindi scivolano facilmente.

Tuttavia, possono verificarsi attriti a causa delle fluttuazioni termiche. Le fluttuazioni fuori piano delle superfici a contatto aumentano notevolmente la loro ruvidità a livello atomico, che ostacola il movimento relativo delle due superfici.

I ricercatori di Skoltech, tuttavia, hanno dimostrato che non tutte le fluttuazioni termiche sono importanti, ma solo quelle che sono sincronizzate, quando le due superfici si piegano simultaneamente, pur rimanendo in stretto contatto. Tali fluttuazioni richiedono un'energia minima e non dipendono dal carico normale, cioè dal peso del corpo scorrevole. Questo spiega perché l'attrito è indipendente dal peso. Inoltre, lo scorrimento relativo delle superfici guida queste fluttuazioni sincrone - le "grinze superficiali" - nella direzione del movimento con la velocità di scorrimento.

Tale guida richiede energia, che si dissipa nella maggior parte del materiale sotto forma di calore, risultando in una forza di attrito dissipativo proporzionale alla velocità.

Maggiore è la temperatura delle superfici, maggiore è l'ampiezza delle fluttuazioni sincrone. Maggiore è l'area di contatto, maggiore è il numero di fluttuazioni superficiali che ostacolano il movimento relativo. L'analisi quantitativa di questi effetti produce le rispettive leggi di superlubrificazione riportate nell'articolo.

Ulteriori informazioni: Nikolay V. Brilliantov et al, Meccanismo atomistico dell'indipendenza dalla forza di attrito sul carico normale e altre leggi di attrito per la superlubrificabilità strutturale dinamica, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.266201

Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica

Fornito da Skolkovo Institute of Science and Technology