L'attrito è una parte importante della nostra vita, per il meglio o il peggio. L'attrito aiuta a far funzionare le frizioni e i freni delle nostre auto, come un esempio. Tuttavia, può essere difficile per gli scienziati descrivere con precisione come funziona su scale diverse. Credito:Colourbox
Se ti preoccupi anche solo di pensare all'attrito, potresti pensare di strofinarti le mani per scaldarle.
Ma l'attrito è un grosso problema nel mondo. Le parti che si sfregano l'una contro l'altra si consumano. Le macchine possono consumare più energia di quanto dovrebbero. Non è nemmeno banale:circa il 23% del consumo energetico mondiale è dovuto all'attrito.
Questo ha portato i ricercatori a cercare modi per capire come funziona effettivamente l'attrito, a livello di nanoscala, in modo che possano progettare lubrificanti e altri modi per ridurlo.
Il guaio è, l'attrito è estremamente difficile da descrivere utilizzando un modello. Uno dei modelli matematici più utilizzati per l'attrito su scala nanometrica è stato proposto per la prima volta nel 1929, e continua ad essere usato perché è abbastanza generale. Ma quando quel modello viene utilizzato per esaminare situazioni più dettagliate, non funziona così bene.
Ora, due ricercatori della Norwegian University of Science and Technology (NTNU) hanno escogitato un adeguamento a questo modello che migliora la sua capacità di descrivere le tendenze su come funziona l'attrito per materiali stratificati come il grafene su scala nanometrica. I loro risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .
Una superficie irregolare di atomi
Prima che tu possa capire cosa hanno fatto i ricercatori, devi prima capire come i ricercatori visualizzano l'attrito.
L'attrito è una buona cosa quando si tratta di fermare la tua auto. Ma l'attrito indesiderato può portare a un'usura prematura delle parti ed è costoso per la società. Credito:Colourbox
Una superficie può sembrare liscia, ma sotto un potente microscopio, la superficie ha chiaramente dei dossi. Quindi, quando i ricercatori vogliono usare un modello matematico per spiegare l'attrito, includono questa superficie irregolare nei loro calcoli.
"Quando diciamo attrito, le persone possono pensare di provare a spingere una scatola su una superficie, " ha detto David Anderson, un dottorato di ricerca nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale di NTNU che è stato il primo autore del documento. "Ma se vuoi capire da dove viene l'attrito, è davvero dal contatto tra gli atomi."
L'attrito viene quindi descritto come la forza necessaria per tirare una punta su questa superficie atomica irregolare. Questo è essenzialmente il modo in cui il modello Prandtl-Tomlinson per l'attrito, pubblicato per la prima volta nel 1929, lo descrive. E una delle caratteristiche chiave descritte dal modello è qualcosa che accade quando questa punta viene tirata sulla superficie irregolare:può attaccarsi e poi scivolare improvvisamente.
Infatti, questo tipo di comportamento di aderenza e scorrimento tra due superfici è visibile anche su scala macro:è ciò che accade su scala geologica quando due placche tettoniche si muovono l'una accanto all'altra. Le persone in zone sismicamente attive sperimentano lo scivolamento delle placche come un terremoto.
Il puzzle dei materiali bidimensionali
Il grafene come additivo per i lubrificanti è in uso da quasi due secoli, ma è stato solo circa un decennio fa che i ricercatori hanno iniziato a studiarlo e altri materiali bidimensionali simili in dettaglio. Il grafene è uno strato di carbonio dello spessore di un solo atomo. Può essere roba piuttosto scivolosa.
Quando i ricercatori hanno iniziato a sperimentare con strati di grafene e come questo ha influito sull'attrito tra le superfici, hanno scoperto qualcosa di strano, Andersson e il suo co-autore e supervisore Astrid de Wijn hanno detto.
Ecco come i ricercatori NTNU hanno descritto l'attrito a livello nano. Credito:Anderson, D., de Wijn, COME. Comprensione dell'attrito di materiali a strati atomicamente sottili. Comune di Nat 11, 420 (2020)
I ricercatori hanno scoperto che l'attrito dipende dal numero di strati in quello che i ricercatori hanno scoperto essere un modo sorprendente:era più alto per i fogli di grafene a strato singolo e diminuiva con l'aumentare del numero di strati. Il modello Prandtl-Tomlinson non lo prevedeva.
"Quello che hanno fatto gli sperimentali è stato mettere strati di grafene e altri materiali 2-D uno sopra l'altro, e ho trovato che l'attrito diminuisce con il numero di strati. non te lo aspetteresti, " de Wijn, un professore associato presso NTNU, disse. "Era un comportamento strano."
Altri lavori teorici e sperimentali sugli strati di grafene hanno fornito risultati contraddittori.
Anche se ciò può essere frustrante per gli accademici, è più di un semplice puzzle accademico. Scienziati e ingegneri che vogliono capire come progettare materiali o lubrificanti per ridurre l'usura e l'attrito hanno bisogno di modelli che li aiutino a gettare le basi per i loro sforzi.
L'aggiunta di complessità ha migliorato il modello
Andersson e de Wijn hanno deciso di esaminare una serie di diversi documenti di ricerca sperimentale che descrivevano risultati contraddittori per vedere se potevano creare un modello matematico che aiutasse a spiegare cosa stava succedendo.
Si sono resi conto che potevano spiegare risultati contraddittori aggiungendo un'ulteriore variabile al secolare modello di attrito Prandtl-Tomlinson. Mentre il vecchio modello osservava semplicemente la forza necessaria per spostare un punto su una superficie, quando i ricercatori hanno aggiunto una variabile che ha permesso ai materiali stratificati di deformarsi, era molto meglio prevedere l'attrito su scala nanometrica rispetto al vecchio modello.
"Alla fine c'erano una dozzina di articoli sperimentali che siamo riusciti a spiegare in una volta sola, aggiungendo il componente che permette ai materiali stratificati di deformarsi, " ha detto Andersson. "Abbiamo trovato il modo giusto per espandere il modello per risolvere questo enigma".
Il grafene e altri materiali 2-D sono estremamente utili, ma può essere difficile per i ricercatori descrivere utilizzando modelli matematici. Credito:Colourbox
Applicazioni pratiche per il grafene
I ricercatori sperano che il loro modello possa aiutare altri ricercatori, soprattutto quando si tratta di grafene.
"Ci sono molti misteri sul grafene e su come funziona, " ha detto de Wijn. Ma il modello rivisto consente ai ricercatori di comprendere meglio l'attrito in sottili fogli di grafene e altri materiali simili, lei disse.
Per esempio, lei disse, il modello è un primo passo per aiutare gli ingegneri a comprendere le distorsioni estreme e la lacerazione di fogli sottili che sono spessi solo atomi quando questi strati subiscono un carico elevato.
"In condizioni reali, tali distorsioni estreme sono comuni e portano alla rottura dei legami chimici, strappo, indossare, e perdita di condizioni di basso attrito, " de Wijn e Andersson hanno scritto nel loro articolo. "Questo è un primo passo e aumenta la possibilità di una migliore comprensione dell'usura e più velocemente, basato sulla comprensione, sviluppo di applicazioni pratiche del grafene nelle tecnologie a basso attrito."
