(In alto) Illustrazione di una mesa parzialmente tranciata con un micromanipolatore per formare un fiocco retrattile su una piattaforma di grafite. Quando la micropunta viene sollevata per rilasciare il fiocco, ritorna automaticamente alla sua posizione originale sulla mesa. (Al centro) Osservazione di questo processo nel vuoto in un SEM. (In basso) Osservazione dello stesso processo in condizioni ambientali con un microscopio ottico. Credito immagine:Liu, et al. ©2012 American Physical Society
(Phys.org) -- Nel fenomeno della superlubrificazione, due superfici solide possono scorrere l'una sull'altra quasi senza attrito. L'effetto si verifica quando le superfici solide hanno strutture cristalline ei loro reticoli vengono ruotati in modo tale da annullare la forza di attrito. Un po' come impilare due cartoni di uova, se i reticoli sono allineati, si bloccano l'uno nell'altro ed è difficile far scorrere l'uno sull'altro. Ma ruota un po' il cartone delle uova, e non si blocca più in questo modo.
Gli scienziati hanno osservato per la prima volta la superlubricità della grafite nel 2004, e finora tutte le prove sperimentali di superlubricità sono state ottenute su scala nanometrica e in condizioni di vuoto. Ricerche precedenti avevano persino previsto che la superlubrificazione si rompesse su scale più grandi. Ma ora in un nuovo studio, gli scienziati hanno dimostrato che la superlubrificazione della grafite può verificarsi su aree su microscala e in condizioni ambientali, che potrebbe aprire la strada ad applicazioni pratiche nei sistemi micromeccanici.
I ricercatori, guidato da Quanshui Zheng della Tsinghua University di Pechino e della Nanchang University di Nanchang, Cina, e Jefferson Zhe Liu della Monash University di Clayton, Australia, hanno pubblicato il loro articolo sulla superlubrificazione su microscala della grafite in un recente numero di Lettere di revisione fisica .
“Stiamo fornendo prove di superlubrificazione su una scala molto più ampia rispetto al passato – micro anziché nano – e l'effetto persiste anche in condizioni ambientali, "Zheng ha detto Phys.org . "Non eravamo a conoscenza del lavoro precedente che prevedeva la rottura dell'effetto al momento in cui sono state eseguite le prime misurazioni - forse è stata una fortuna, in quanto non ci ha dissuaso dal provare!”
Il modo più semplice per osservare la superlubrificazione è quando due superfici solide scorrono l'una sull'altra. Nello studio attuale, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo di sondare la superlubricità utilizzando una micropunta in tungsteno per tagliare i fiocchi dalle lastre di grafite, o "mesas". Al rilascio del taglio, alcuni dei fiocchi ritornano spontaneamente nelle loro posizioni originali sui mesas, e questo processo di cesoiamento e auto-ritrazione può essere ripetuto più e più volte.
Gli scienziati hanno spiegato che l'auto-retrazione deriva dal bassissimo attrito che si verifica tra la superficie del fiocco e della mesa quando orientata in modo attorcigliato, o incommensurabile, modo.
Sebbene i fiocchi auto-retrattili siano tornati alle stesse posizioni e orientamenti di prima del taglio, i ricercatori potrebbero ruotare deliberatamente i fiocchi tagliati prima di rilasciarli al fine di creare un orientamento commisurato con conseguente stati bloccati, sotto il quale i fiocchi non hanno mostrato auto-retrazione. Questi stati bloccati si verificano in alcuni orientamenti specifici che mostrano una simmetria di 6 volte, ma l'auto-retrazione si verificava ancora quando i mesa furono tranciati in tutte le altre direzioni.
Quando si esaminano i fiocchi che non si sono ritirati automaticamente, i ricercatori hanno trovato brusche variazioni nel colore dei fiocchi tranciati, mentre il colore dei fiocchi autoretrattili era uniforme. Pensano che la variazione di colore avvenga a causa dell'interferenza ottica derivante dalle variazioni di spessore nelle mesa di grafite. Le mesa più grandi hanno variazioni di spessore maggiori, così come una minore probabilità di esibire un'auto-ritrazione.
Come prima prova di superlubricità riproducibile su scala micron, e anche in condizioni ambientali, i risultati potrebbero rivelarsi più utili per le applicazioni rispetto alla superlubrificazione su scala nanometrica. Alla nanoscala, il raggiungimento della superlubricità richiede allestimenti complessi e preparazione del campione, e l'effetto può essere facilmente soppresso da vari meccanismi che causano torsione e blocco. Il nuovo modo di produrre superlubrificazione su microscala supera molte di queste barriere, e potrebbe essere utilizzato per limitare l'attrito e l'usura nei sistemi micromeccanici.
“Esistono molti dispositivi micromeccanici, ad esempio sensori di movimento, generatori di radiofrequenza, giroscopi – dove il moto relativo di due parti è importante, ", ha detto Liu. "La superlubrificazione apre una nuova strada per la creazione di tali dispositivi".
I ricercatori hanno in programma di esplorare ulteriormente l'estensione della superlubricità in futuro.
“Stiamo già lavorando su più fronti:per studiare più in dettaglio il moto superlubrificante, per esplorare le estensioni di questo a scale sia più grandi che più piccole, e studiare la robustezza a lungo termine dell'effetto in diverse condizioni fisiche, ", ha affermato il coautore Francois Gray della Tsinghua University.
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