(Phys.org)—Quando pezzi di grafite di dimensioni nanometriche scivolano l'uno contro l'altro, non ci può essere virtualmente alcun attrito tra di loro. Per molti anni, attrito super basso, o "superlubrificazione, " si sapeva che esisteva solo su scala nanometrica. Poi nel 2012, gli scienziati hanno dimostrato per la prima volta la superlubricità oltre la nanoscala quando hanno scoperto il fenomeno nella grafite di dimensioni micrometriche. Basandosi su questa e sulla ricerca correlata, gli scienziati in un nuovo studio hanno ora dimostrato teoricamente che l'attrito superbasso potrebbe estendersi a lunghezze di decine di centimetri.

Nel nuovo studio pubblicato su Lettere di revisione fisica , ricercatori Ming Ma, et al., hanno teoricamente studiato la lunghezza massima di una catena di particelle che mostra superlubricità. Il loro modello mostra che questa lunghezza critica dipende dai parametri sperimentali e dalle proprietà del materiale, soprattutto la sua rigidità. Per materiali molto rigidi, come i nanotubi di carbonio, gli scienziati hanno scoperto che la superlubrificazione può resistere fino a decine di centimetri, dopo di che scompare bruscamente.

"Questi risultati indicano una strada per ottenere un attrito super basso su macroscala, e può potenzialmente aiutare nella progettazione razionale di materiali superlubrificanti per applicazioni nanomeccaniche, "Michael Urbakh, professore all'Università di Tel Aviv e uno degli autori principali dello studio, detto Phys.org .

Come spiegano gli scienziati, l'attrito superbasso si basa su una disposizione speciale degli atomi sulla superficie di un materiale. In grafite, ad esempio, gli atomi di superficie hanno una disposizione esagonale irregolare come cartoni/scatole di uova. In certi orientamenti, due superfici di grafite possono ingranare in modo tale che i "dossi" possano scivolare l'uno sull'altro senza sforzo, e l'attrito scende quasi a zero.

In contrasto, quando gli stessi pezzi di grafite sono leggermente ruotati l'uno rispetto all'altro, i loro atomi di superficie non possono più scivolare facilmente, e i materiali esibiscono gli effetti familiari dell'attrito.

Questo tipo di cambiamento nella configurazione geometrica può spiegare la brusca transizione tra i regimi senza attrito e attrito nei modelli dei ricercatori. Un nanotubo più corto, o catena, mostra superlubricità perché le sue particelle non sono corrispondenti, o incommensurabile, con gli atomi di substrato sottostanti. Poiché gli atomi evitano l'incastro tra loro, la catena scorre facilmente sulla superficie. Ma per una catena più lunga, un'instabilità meccanica innesca la corrispondenza del reticolo sul bordo anteriore della catena. Di conseguenza, le particelle diventano anagrafiche, o commisurato, con gli atomi nel reticolo del substrato, e l'attrito aumenta improvvisamente.

Le simulazioni dei ricercatori hanno anche rivelato che la lunghezza critica della catena forma un confine netto tra due fasi in base alla distanza tra le particelle:la distanza tra le particelle è minore nella catena più corta rispetto alla catena più lunga. Esattamente alla lunghezza critica, si verifica un brusco salto in questa distanza, insieme al brusco salto di attrito.

Comprendendo meglio la superlubricità e i suoi limiti, i ricercatori sperano di estendere l'effetto su scala più ampia possibile. La superlubricità potrebbe rivelarsi molto utile per la progettazione di sistemi su scala nanometrica con bassa usura, e potrebbe essere ancora più utile se potesse essere esteso a scale più grandi.

"La sfida qui è aumentare le dimensioni degli oggetti scorrevoli senza perdere la perfetta geometria della scatola delle uova necessaria per la superlubrificazione, " ha affermato il coautore Andrea Vanossi al CNR-IOM Democritos National Simulation Center e alla International School for Advanced Studies (SISSA), sia a Trieste, Italia. "Normalmente, man mano che le dimensioni degli oggetti crescono, entrano in gioco i difetti e le imperfezioni. Solo recentemente, grazie ai notevoli progressi nelle tecniche di sintesi, è stato possibile produrre senza difetti, nanostrutture allungate atomicamente perfette come i nanotubi di carbonio, nanonastri di grafene, e polimeri coniugati. Una volta che è possibile avere due grandi superfici geometricamente perfette sfregano l'una contro l'altra senza attrito, e applicare questo materiale come rivestimento a cuscinetti a sfera e parti di macchine mobili, ci saranno enormi risparmi futuri nei settori dell'energia, consumo di risorse, e manutenzione».

I ricercatori stanno attualmente lavorando per espandere il loro approccio per comprendere i meccanismi che limitano l'attrito superbasso tra i materiali 3D.

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