L'attrito è difficile da prevedere e controllare, soprattutto perché le superfici che entrano in contatto raramente sono perfettamente piane. Nuovi esperimenti dimostrano che la quantità di attrito tra due superfici di silicio, anche su larga scala, è determinata dalla formazione e dalla rottura di microscopici legami chimici tra di loro. Ciò rende possibile controllare la quantità di attrito utilizzando tecniche di chimica superficiale. Questa ricerca è stata pubblicata in Physical Review Letters .
"C'è una mancanza di comprensione quantitativa dell'attrito, nonostante il suo ruolo cruciale nell'affrontare sfide diverse come la previsione dei terremoti e la riduzione del consumo di energia nei dispositivi meccanici", afferma il Ph.D. ricercatore Liang Peng, che ha condotto il progetto di ricerca. Non è una questione da poco:si stima che l’attrito sia responsabile di oltre il 20% del nostro consumo energetico globale. Il controllo dell'attrito nei macchinari è importante anche per ridurre l'usura dei materiali e aumentare la precisione di posizionamento.
Peng ha lavorato insieme ad altri ricercatori dell'Istituto di fisica e dell'Istituto di scienze molecolari Van 't Hoff dell'Università di Amsterdam, nonché del Centro di ricerca avanzata per la nanolitografia (ARCNL). La ricerca fa parte di una collaborazione in corso per studiare come l'attrito su larga scala emerge a livello microscopico.
Negli ultimi anni, nuovi metodi di ricerca hanno consentito ai ricercatori di approfondire cosa accade esattamente quando due superfici entrano in contatto e scivolano l’una sull’altra. Fondamentalmente, le superfici non sono mai perfettamente lisce. Su una scala di un nanometro, un miliardesimo di un metro, sembrano paesaggi montuosi con picchi e valli pronunciati.
Precedenti esperimenti e simulazioni numeriche hanno dimostrato che su questa piccola scala, l’attrito è in gran parte determinato dalla formazione e dalla rottura dei legami tra gli atomi di superficie. Ciò è influenzato non solo dalla ruvidità delle superfici di scorrimento, ma anche da quali atomi o molecole (come l'acqua) sono presenti sull'interfaccia.
"Abbiamo deciso di estendere e applicare questi meccanismi di nanoattrito su scale più grandi e rilevanti a livello industriale", spiega Peng. Utilizzando uno strumento speciale chiamato reometro, i ricercatori hanno studiato come la quantità di attrito tra una sfera di silicio relativamente ruvida e un wafer di silicio liscio dipenda dalla densità dei microscopici legami chimici all'interfaccia. Il silicio (Si) è un materiale particolarmente interessante da studiare grazie al suo ampio utilizzo nell'industria dei semiconduttori. La sua abbondanza nella crosta terrestre lo rende rilevante anche per lo studio dei terremoti.
Dopo aver ripulito le superfici dai contaminanti, i ricercatori hanno scoperto che è necessaria molta meno forza per far scorrere la sfera sul wafer (in altre parole, c'è meno attrito) quando le superfici vengono asciugate più a lungo in azoto puro. Ulteriori esperimenti hanno mostrato cosa succede a livello degli atomi:un'essiccazione più lunga riduce il numero di gruppi idrossilici (OH) esposti sulla superficie del silicio. Quando messi a contatto con un'altra superficie di silicio, la presenza di questi gruppi determina la formazione di legami silicio-ossigeno-silicio (Si-O-Si) tra le due superfici.
La ricerca dimostra che esiste una relazione sorprendente tra la forza di attrito misurata su larga scala e la densità dei microscopici gruppi Si-OH presenti sulle due superfici di silicio prima del contatto, che controlla il numero di legami Si-O-Si formati durante il contatto. La densità di questi legami chimici viene regolata impostando il periodo di tempo durante il quale le superfici pulite vengono asciugate. Ciò significa che è possibile prevedere e controllare la forza di attrito tra le superfici di silicio.
"Il nostro risultato è davvero notevole perché dimostra una comprensione quantitativa dell'attrito macroscopico a partire dai principi primi. I nostri risultati possono quindi colmare il divario di conoscenze che ostacola il controllo basato sulla comprensione dell'attrito", conclude Liang.
Ulteriori informazioni: Liang Peng et al, Controllo dell'attrito macroscopico attraverso il legame silossano interfacciale, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.226201
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dall'Università di Amsterdam
