I limiti tecnologici hanno reso difficile lo studio dell'attrito su scala atomica, ma i ricercatori dell'Università della Pennsylvania e dell'Università della California, Merce, hanno ora compiuto progressi in questa ricerca su due fronti.

Accelerando un vero microscopio a forza atomica e rallentando la simulazione di uno, il team ha condotto i primi esperimenti su scala atomica sull'attrito a velocità sovrapposte.

Lo studio è stato condotto dallo studente laureato Xin-Zhou Liu e dal professore e presidente del dipartimento Robert Carpick, entrambi del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata della Penn's School of Engineering and Applied Science, e Ashlie Martini, professore associato presso la School of Engineering di UC Merced, con Zhijiang Ye, uno studente laureato alla UC Merced. Yalin Dong, un ex membro del gruppo di ricerca di Martini, e Philip Egberts, poi membro del gruppo di ricerca di Carpick, anche contribuito alla ricerca.

Il loro studio è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica .

Un fenomeno noto come "attrito stick-slip" è molto spesso coinvolto nello scorrimento sia su scala macro che atomica. La resistenza associata all'attrito è il prodotto dei punti di contatto atomici tra due oggetti temporaneamente attaccati insieme, dove rimangono fino a quando la forza applicata fornisce energia elastica sufficiente per la rottura di quei punti. Questi punti poi scivolano e scivolano finché non si bloccano di nuovo. A scala atomica, punti di incollaggio si verificano per ogni insieme ripetuto di atomi lungo la direzione di scorrimento.

Studiare le interazioni atomiche che sono alla base dell'attrito stick-slip è intrinsecamente difficile poiché i punti di contatto sono oscurati dall'essere a filo l'uno contro l'altro. Per aggirare questo problema, i ricercatori sull'attrito usano spesso la punta di un microscopio a forza atomica, o AFM, uno strumento ultrasensibile in grado di misurare le forze di nanonewton, come uno dei punti di contatto. Poiché una punta AFM funziona in modo molto simile a una puntina per dischi, i ricercatori possono misurare l'attrito che subisce la punta mentre viene trascinata sulla superficie. I ricercatori dell'attrito usano anche simulazioni, che può modellare la dinamica di tutti i singoli atomi.

"Un approccio potente consiste nel combinare l'esperimento con le simulazioni, "Liu ha detto, "Ma il problema principale in questo modo in passato è stato che le velocità di scorrimento a cui vengono eseguiti gli esperimenti e le simulazioni non corrispondono".

La qualità delle misurazioni in un esperimento AFM dipende dall'isolamento della punta da eventuali vibrazioni vaganti, così tradizionalmente i ricercatori trascinano la punta molto lentamente, muovendosi di circa un micrometro in un secondo al massimo. Per abbinare questo esperimento in una simulazione, i singoli atomi della punta e della superficie sono modellati al computer, e la punta virtuale viene trascinata alla stessa distanza della punta AFM reale.

Questo presenta un problema, però, perché, per catturare l'impatto che i singoli atomi hanno, ogni frame nelle simulazioni deve essere calcolato in passi di femtosecondi. Un computer che elabora un milione di passi al secondo avrebbe bisogno di circa 30 anni per simulare la velocità micrometrica al secondo dell'esperimento AFM reale.

"Ciò significa ottenere la stessa distanza in un periodo di tempo più breve, dobbiamo spostare molto la punta del modello, più veloce, ", ha detto Martini.

Con la velocità di scorrimento delle punte virtuali che parte un milione di volte più veloce di quelle fisiche, i ricercatori hanno deciso di incontrarsi nel mezzo. Il contingente UC Merced ha lavorato per rallentare la punta nelle loro simulazioni, mentre le loro controparti alla Penn hanno sviluppato modi per accelerare i loro esperimenti fisici.

Poiché i motori tradizionali non possono spostare le punte AFM con la precisione nanoscopica necessaria per i loro esperimenti, la punta e il cantilever su cui è montato sono azionati da una piastra piezoelettrica. Lo strato superiore di questo tipo di piastra si sposta lateralmente dallo strato inferiore quando viene applicata una certa tensione, spingendo il cantilever e la punta su una superficie del campione.

"Per la risoluzione richiesta per il nostro studio sull'attrito atomico, lo scanner all'interno di un AFM commerciale può raggiungere solo poche centinaia di nanometri al secondo, " Carpick ha detto. "Questa è una limitazione intrinseca dello strumento; se superi quella velocità massima, ottieni grandi oscillazioni nel segnale. La nostra soluzione è stata quella di realizzare una piastra piezoelettrica di taglio molto compatta e utilizzarla per spostare il campione anziché la punta".

Spostando il campione, una sottile pellicola d'oro rivestita su un dado di silicio, invece della punta che è guidata da uno scanner molto più pesante, il team di Penn è stato in grado di aumentare radicalmente la velocità complessiva dell'esperimento. Con massa inferiore, la piastra più piccola può muoversi più velocemente senza causare oscillazioni rumorose.

"Il moto relativo è lo stesso, "Liu ha detto, "ma questo significa che possiamo andare mille volte più veloci di prima mantenendo la risoluzione di cui abbiamo bisogno. Abbiamo dovuto aggiungere un'elettronica completamente nuova anche per l'acquisizione dei dati poiché nessuno ha dovuto registrarli così velocemente prima".

Mentre il team Penn stava accelerando i propri sistemi, la squadra della UC Merced li stava rallentando. I ricercatori hanno approfittato dei periodi relativamente lunghi di inattività in cui la punta era bloccata, aspettando abbastanza energia per scivolare in avanti. Parte di questa energia è fornita dal movimento relativo del campione contro la punta, ma le vibrazioni casuali degli atomi coinvolti, derivanti dall'energia termica, può far sì che la transizione di scivolamento avvenga più velocemente o più lentamente.

"Riconoscendo che, "Martini ha detto "ci dà la possibilità di utilizzare una suite di strumenti di simulazione per quelli che vengono chiamati 'sistemi di eventi non frequenti.' Questi sono strumenti per far sì che questi eventi rari accadano più rapidamente preservando comunque la fisica sottostante".

Utilizzando una tecnica nota come "dinamica della replica parallela, Il gruppo di Martini ha utilizzato il fatto che la probabilità che uno di questi eventi non frequenti si verifichi è la stessa se una simulazione è stata eseguita per mille femtosecondi o se sono state eseguite mille simulazioni per un femtosecondo ciascuna. Eseguendo simulazioni identiche sul maggior numero possibile di processori, i ricercatori li fermerebbero tutti non appena un suggerimento virtuale è scivolato, quindi sincronizzare le simulazioni a quel punto e riavviarle tutte.

"Questo ci permette di aumentare efficacemente la durata della simulazione parallelizzandola nel tempo, " ha detto Martini. "Stai aumentando il tempo di simulazione e quindi diminuendo la velocità della punta del modello di un fattore di quanti processori hai."

Abbinando le velocità della punta negli esperimenti fisici e virtuali, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare una differenza finora teorica tra macroscala e attrito atomico slip-stick. La velocità in genere non tiene conto della quantità di attrito che gli oggetti su macroscala incontrano, ma su scala atomica la vibrazione dei singoli atomi dovuta all'energia termica potrebbe svolgere un ruolo. I ricercatori hanno dimostrato che queste vibrazioni contrastano l'attrito aiutando la punta a scivolare in avanti ma solo fino a un certo punto. A velocità abbastanza elevate, la punta non è incollata abbastanza a lungo da ricevere una "spinta" dall'energia termica.

"Indagare e comprendere l'effetto dell'attrito alle velocità nel nostro esperimento è importante, "Liu ha detto, " poiché sono molto più vicini a ciò che le nostre applicazioni ingegneristiche attuali e future, come dispositivi micro e nanomeccanici, sperimenterà di quello che possiamo fare normalmente con un microscopio a forza atomica."

"Questo studio, "Carpick ha detto, "ora apre molte possibilità per utilizzare le intuizioni atomiche complete disponibili nelle simulazioni atomistiche per interpretare in modo affidabile i risultati degli studi sperimentali. Siamo ottimisti, questo alla fine porterà a intuizioni generali e pratiche da capire, controllare e ridurre l'attrito e l'usura."