Nell'ambito di una collaborazione internazionale, presso l'Università di Bristol è stato assemblato un sistema microscopico modello per dimostrare la trasmissione della coppia in presenza di fluttuazioni termiche, necessarie per la creazione di una minuscola "frizione" operante su scala nanometrica.

Quando si guida un'auto, la frizione trasporta meccanicamente la coppia prodotta dal motore al telaio del veicolo - un accoppiamento che è stato a lungo testato e ottimizzato in macchine così macroscopiche, dandoci motori altamente efficienti. Per macchine microscopiche, però, sviluppare una frizione che funzioni su scala nanometrica è molto più impegnativo perché, a scale di lunghezza microscopiche, bisogna considerare una fisica diversa. Le fluttuazioni termiche giocano un ruolo sempre più dominante man mano che un dispositivo viene miniaturizzato, portando a una maggiore dissipazione di energia e alla necessità di sviluppare nuovi principi di progettazione.

Nel sistema microscopico modello sviluppato da scienziati di Bristol, Dusseldorf, Magonza, Princeton e Santa Barbara, un anello di particelle colloidali viene localizzato in una pinzetta ottica e tradotto automaticamente su un percorso circolare, trasferire un moto rotatorio ad un insieme di colloidi identici confinati nella regione interna.

Il dottor Paddy Royall dell'Università di Bristol ha dichiarato:"Questo dispositivo assomiglia molto a una lavatrice, ma le dimensioni sono minuscole. Attraverso la manipolazione ottica l'anello di particelle può essere schiacciato a piacimento, alterando l'accoppiamento tra le parti guidate e caricate dell'assieme e fornendo una modalità di funzionamento simile a una frizione."

Le sospensioni colloidali rientrano nella categoria dei materiali noti come "materia morbida", e si dimostra che la morbidezza del dispositivo di rotazione porta a nuovi fenomeni di trasmissione non osservati nelle macchine macroscopiche. "Sfruttare la morbidezza dei nanomateriali ci offre meccanismi di controllo aggiuntivi e senza precedenti che possono essere impiegati durante la progettazione di macchine microscopiche, "Il dottor Royall ha spiegato.

Oltre agli esperimenti condotti presso l'Università di Bristol, i fisici dell'Università di Düsseldorf hanno sviluppato simulazioni al computer modello per studiare ulteriormente l'accoppiamento di coppia su scala nanometrica. Ciò consente la misurazione dell'efficienza delle nanomacchine, che è piccolo ma può essere ottimizzato attraverso un attento controllo dei parametri di sistema.

I ricercatori hanno identificato tre diversi regimi di trasmissione:uno scenario solido che trasmette la coppia in modo molto simile a un ingranaggio macroscopico; uno scenario simile a un liquido in cui gran parte dell'energia in ingresso viene persa per attrito e uno scenario di scivolamento intermedio unico per i materiali morbidi che combina aspetti dei comportamenti di tipo solido e liquido.

"Una comprensione di base del processo di accoppiamento ci darà informazioni sulla costruzione di nanomacchine, in cui il trasferimento di coppia è assolutamente essenziale, ", ha affermato il professor Hartmut Loewen dell'Università di Düsseldorf.

Lo studio è pubblicato su Fisica della natura .