Lavorando insieme per studiare l'attrito su scala atomica, i ricercatori della UC Merced e dell'Università della Pennsylvania hanno condotto i primi esperimenti e simulazioni su scala atomica dell'attrito a velocità sovrapposte.

In "Dinamica dell'attrito atomico stick-slip esaminata con la microscopia a forza atomica e simulazioni atomiche a velocità sovrapposte, "Apre una nuova finestra. un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , Professoressa di ingegneria UC Merced Ashlie Martini, lo studente laureato Zhijiang Ye e i loro partner alla Penn rivelano come hanno superato i limiti tecnologici dello studio dell'attrito su una scala così ridotta. Sperano che il loro lavoro alla fine porti a maggiori intuizioni su come controllare l'attrito e l'usura sui macchinari.

Il team ha accelerato un vero microscopio a forza atomica e ha rallentato la simulazione di uno, aggiungendo a un corpo di conoscenze su un fenomeno chiamato "attrito stick-slip, " che spesso influenza lo scorrimento sia a scala macro che atomica.

Martini e Ye hanno lavorato con il professor Robert Carpick di ingegneria meccanica e meccanica applicata della Penn e diversi altri studenti laureati. È una collaborazione coltivata in tanti anni.

"Siamo alla nostra terza sovvenzione della National Science Foundation (NSF) insieme, " ha detto Martini. "I nostri modelli spiegano gli esperimenti, e gli esperimenti aiutano a verificare i modelli."

L'attrito stick-slip - la resistenza associata allo scorrimento - è il prodotto dei punti di contatto atomici tra due oggetti che vengono temporaneamente incollati insieme. Rimangono così finché la forza applicata non fornisce energia elastica sufficiente per rompersi. I punti poi scivolano e scivolano finché non si bloccano di nuovo.

Ma studiare le interazioni atomiche 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 (AFM), uno strumento ultrasensibile in grado di misurare le forze di nanonewton, come un punto 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 su una superficie. I modelli di Martini e Ye prevedono la dinamica di tutti i singoli atomi in quella punta.

La qualità delle misurazioni in un esperimento AFM dipende dalla prevenzione delle vibrazioni vaganti nella punta. Generalmente, i ricercatori trascinano la punta di circa 1 micrometro al secondo, al massimo. Per abbinare questo esperimento in una simulazione, i singoli atomi della punta e della superficie sono modellati su un computer.

Ma fare le misurazioni in questo modo ha i suoi problemi:ogni fotogramma in una simulazione deve essere calcolato in passi così piccoli che un computer avrebbe bisogno di circa 30 anni per simulare la velocità micrometrica al secondo dell'esperimento AFM reale.

Per superare questo limite, tipicamente, le punte simulate scivolano un milione di volte più velocemente che negli esperimenti, quindi i ricercatori avevano bisogno di incontrarsi nel mezzo. Martini e Ye hanno trovato un modo per rallentare le loro mance da modella, mentre i ricercatori della Penn hanno accelerato quelli veri.

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

Oltre ai risultati della ricerca stessa, Martini ha affermato che la collaborazione avvantaggia gli studenti laureati della UC Merced. Vanno a Penn per alcune settimane ogni anno e lavorano direttamente con i loro ricercatori partner, che li aiuta a prepararsi per la vita dopo la scuola di specializzazione.

"La scuola di specializzazione può essere piuttosto insulare, " ha detto Martini. "Questo aiuta a preparare gli studenti per il mondo reale, dove il lavoro di squadra è all'ordine del giorno."