L'attrito è tutto intorno a noi, lavorando contro il movimento dei pneumatici sul marciapiede, lo scarabocchio di una penna sulla carta, e anche il flusso di proteine ​​attraverso il flusso sanguigno. Ogni volta che due superfici entrano in contatto, c'è attrito, tranne in casi molto speciali in cui l'attrito essenzialmente svanisce, un fenomeno, noto come "superlubrificazione, " in cui le superfici semplicemente scivolano l'una sull'altra senza resistenza.

Ora i fisici del MIT hanno sviluppato una tecnica sperimentale per simulare l'attrito su scala nanometrica. Usando la loro tecnica, i ricercatori sono in grado di osservare direttamente i singoli atomi all'interfaccia di due superfici e manipolare la loro disposizione, regolazione della quantità di attrito tra le superfici. Modificando la spaziatura degli atomi su una superficie, hanno osservato un punto in cui l'attrito scompare.

Vladan Vuletic, il Lester Wolfe Professore di Fisica al MIT, afferma che la capacità di regolare l'attrito sarebbe utile nello sviluppo di nanomacchine, piccoli robot costruiti con componenti delle dimensioni di singole molecole. Vuletic afferma che su scala nanometrica, l'attrito può richiedere una forza maggiore, ad esempio creando usura su piccoli motori molto più velocemente di quanto avvenga su scale più grandi.

"C'è un grande sforzo per comprendere l'attrito e controllarlo, perché è uno dei fattori limitanti per le nanomacchine, ma ci sono stati relativamente pochi progressi nel controllare effettivamente l'attrito su qualsiasi scala, "Vuletic dice. "Ciò che è nuovo nel nostro sistema è, per la prima volta su scala atomica, possiamo vedere questa transizione dall'attrito alla superlubrificazione."

Vuletico, insieme agli studenti laureati Alexei Bylinskii e Dorian Gangloff, pubblicano i loro risultati oggi sulla rivista Scienza .

Attrito e campi di forza

Il team ha simulato l'attrito su scala nanometrica progettando prima due superfici da mettere in contatto:un reticolo ottico, e un cristallo ionico.

Il reticolo ottico è stato generato utilizzando due raggi laser che viaggiano in direzioni opposte, i cui campi si sommano per formare un modello periodico sinusoidale in una dimensione. Questo cosiddetto reticolo ottico è simile a un cartone per le uova, dove ogni picco rappresenta un potenziale elettrico massimo, mentre ogni depressione rappresenta un minimo. Quando gli atomi viaggiano attraverso un tale campo elettrico, sono attratti da luoghi di minimo potenziale, in questo caso, i trogoli.

Vuletic ha quindi progettato una seconda superficie:un cristallo ionico, essenzialmente, una griglia di atomi carichi, per studiare gli effetti dell'attrito, atomo per atomo. Per generare il cristallo ionico, il gruppo ha usato la luce per ionizzare, o carica, atomi neutri di itterbio che emergono da un piccolo forno riscaldato, e poi li ho raffreddati con più luce laser appena sopra lo zero assoluto. Gli atomi carichi possono quindi essere intrappolati utilizzando tensioni applicate a superfici metalliche vicine. Una volta caricato positivamente, ogni atomo si respinge tramite la cosiddetta "forza di Coulomb". La repulsione tiene efficacemente gli atomi separati, in modo che formino una superficie cristallina o reticolare.

Il team ha quindi utilizzato le stesse forze utilizzate per intrappolare gli atomi per spingere e tirare il cristallo ionico attraverso il reticolo, così come allungare e spremere il cristallo ionico, molto simile a una fisarmonica, alterando la distanza tra i suoi atomi.

Un terremoto e un bruco

Generalmente, i ricercatori hanno scoperto che quando gli atomi nel cristallo ionico erano regolarmente distanziati, ad intervalli corrispondenti alla spaziatura del reticolo ottico, le due superfici hanno sperimentato il massimo attrito, proprio come due mattoncini Lego complementari. Il team ha osservato che quando gli atomi sono distanziati in modo che ciascuno occupi una depressione nel reticolo ottico, quando il cristallo ionico nel suo insieme viene trascinato attraverso il reticolo ottico, gli atomi prima tendono ad attaccarsi negli avvallamenti del reticolo, vincolati lì dalla loro preferenza per il potenziale elettrico più basso, così come dalle forze di Coulomb che tengono separati gli atomi. Se viene applicata una forza sufficiente, il cristallo ionico scivola improvvisamente, mentre gli atomi saltano collettivamente al trogolo successivo.

"È come un terremoto, "Vuletic dice. "C'è forza che si accumula, e poi c'è improvvisamente un catastrofico rilascio di energia."

Il gruppo ha continuato ad allungare e spremere il cristallo ionico per manipolare la disposizione degli atomi, e ha scoperto che se la spaziatura degli atomi non corrisponde a quella del reticolo ottico, l'attrito tra le due superfici si annulla. In questo caso, il cristallo tende a non attaccarsi poi improvvisamente scivola, ma per muoversi fluidamente attraverso il reticolo ottico, proprio come un bruco che avanza lentamente sul terreno.

Ad esempio, in disposizioni in cui alcuni atomi sono in depressione mentre altri sono in picchi, e altri ancora sono da qualche parte nel mezzo, quando il cristallo ionico viene trascinato attraverso il reticolo ottico, un atomo può scivolare un po' giù di un picco, liberare un po' di stress, e rendendo più facile per un secondo atomo uscire da un trogolo, che a sua volta trascina un terzo atomo, e così via.

"Quello che possiamo fare è regolare a piacimento la distanza tra gli atomi per essere abbinata al reticolo ottico per il massimo attrito, o non corrispondenti per nessun attrito, "Dice Vuletic.

Gangloff aggiunge che la tecnica del gruppo può essere utile non solo per realizzare nanomacchine, ma anche per il controllo delle proteine, molecole, e altri componenti biologici.

"Nel dominio biologico, ci sono varie molecole e atomi in contatto tra loro, scivolando come motori biomolecolari, a causa di attrito o mancanza di attrito, "Dice Gangloff. "Quindi questa intuizione su come disporre gli atomi in modo da ridurre al minimo o massimizzare l'attrito potrebbe essere applicata".