Illustrazione schematica dell'evoluzione del motivo moiré sotto l'influenza di forze e momenti esterni per un ammasso colloidale di forma circolare che interagisce con una superficie periodicamente strutturata. Le regioni in cui le particelle del cluster sono vicine al fondo dei pozzi della superficie modellata appaiono come regioni di colore scuro nei rispettivi motivi moiré. La larghezza delle frecce rappresenta la quantità di forza e/o coppia richiesta per superare l'attrito statico tra il gruppo e la superficie. Crediti:Andrea Silva e Xin Cao
Quando si spostano i mobili, gli oggetti pesanti sono più facili da spostare se li ruoti mentre spingi. Molte persone intuitivamente lo fanno. Un gruppo di ricerca internazionale di Costanza (Germania), Trieste e Milano (Italia) ha ora studiato su scala microscopica la riduzione dell'attrito statico causato dalla rotazione simultanea.
Nel loro recente studio, che sarà pubblicato su Physical Review X il 15 giugno, i ricercatori hanno scoperto che la riduzione dell'attrito statico di un oggetto microscopico su una superficie cristallina può essere descritta da modelli moiré, che si verificano quando si sovrappongono schemi periodici. Sulla base di questo concetto, i ricercatori prevedono uno stato insolito, in cui gli oggetti microscopici possono essere messi in rotazione applicando una quantità minima di coppia. In futuro, ciò potrebbe consentire la costruzione di micromacchine con bassissimo attrito statico contro la rotazione.
Mettere in movimento gli oggetti
Per mettere in movimento un oggetto è necessario spingerlo a vincere l'attrito statico con la superficie sottostante. Ciò vale anche se le superfici a contatto sono molto lisce. L'esperienza quotidiana ci insegna che l'attrito statico è molto minore quando l'oggetto non viene solo spinto, ma contemporaneamente ruotato. Anche se rinomati studiosi, come Leonardo da Vinci, hanno già studiato i fenomeni di attrito più di 500 anni fa, la relazione tra forze di attrito statico e coppie non è ancora del tutto chiara. Questo è abbastanza notevole, dato che l'attrito rotazionale ha origine dalla stessa interazione tra un oggetto e la superficie sottostante come l'attrito traslazionale ben esplorato.
La complessa relazione tra traslazione statica e attrito rotazionale diventa ancora più intrigante su scala microscopica, dove i contatti piatti coinvolgono solo da poche centinaia a poche migliaia di atomi. "Ad esempio, tali microcontatti si verificano in minuscoli dispositivi meccanici, noti come sistemi microelettromeccanici (MEMS), il cui comportamento è dominato da effetti di attrito", afferma il professor Clemens Bechinger, capo del gruppo di ricerca e professore di fisica sperimentale presso il Università di Costanza, fornendo un esempio di dove gli effetti di attrito svolgono un ruolo importante su scala microscopica. L'attrito rotazionale e la sua interazione con l'attrito traslatorio per contatti così piccoli è rimasto piuttosto inesplorato, perché è tecnicamente molto difficile applicare coppie ben controllate a oggetti rotanti su microscala.
I motivi moiré sono la chiave
Nel loro recente studio, che combina approcci sperimentali e teorici, i ricercatori di Costanza, Trieste e Milano hanno superato questa sfida e hanno studiato l'attrito rotazionale e la sua interazione con l'attrito traslazionale per i contatti microscopici. "Per i nostri esperimenti, abbiamo creato ammassi cristallini fatti di sfere magnetiche di dimensioni micron e li abbiamo portati in contatto con una superficie strutturata con pozzi che si ripetono regolarmente", il dottor Xin Cao, uno degli autori principali dello studio e Humboldt Fellow nel lavoro gruppo di Clemens Bechinger, descrive il punto di partenza degli esperimenti. Continua:"Questa impostazione imita l'area di contatto tra due superfici atomicamente piatte".
Gli ammassi bidimensionali, con contatti con la superficie costituiti da 10 a 1000 particelle sferiche, sono stati quindi posti in movimento rotatorio utilizzando un campo magnetico rotante altamente controllabile. La coppia minima richiesta per far ruotare il rispettivo grappolo corrisponde all'attrito rotatorio statico, simile all'attrito traslatorio statico, che caratterizza la forza minima richiesta per ottenere un movimento traslatorio del grappolo.
Nel loro studio, i ricercatori hanno scoperto che l'interazione dell'attrito rotazionale e traslazionale può essere compresa attraverso le proprietà di quelli che sono noti come modelli moiré. Questi schemi sorgono quando due o più strutture periodiche si sovrappongono. "I motivi moiré ottici possono essere osservati, ad esempio, quando una tenda a maglia fine si increspa e i singoli strati della tenda si sovrappongono", spiega il dott. Andrea Silva, secondo autore principale dello studio e fisico presso la Scuola Internazionale di Studi Avanzati (SISSA ) a Trieste. "I modelli risultanti sono estremamente sensibili ai minimi movimenti relativi e mostrano strutture geometriche di livello superiore che non sono presenti nelle strutture sovrapposte stesse."
Il vantaggio della rotazione simultanea
Tornando agli esperimenti, Andrea Silva descrive:"Il contatto tra l'ammasso di particelle e la superficie sottostante nelle aree in cui le periodicità nella struttura di entrambi gli oggetti corrispondono può essere paragonato alle uova in un cartone per uova". Senza l'applicazione di forze o coppie esterne, quest'area di sovrapposizione strutturale è al massimo, il che significa che un gran numero di particelle del cluster si trova vicino al fondo dei pozzetti della superficie modellata, determinando un elevato attrito statico.
Quando viene applicata una forza al cluster per spingerlo in una particolare direzione, l'area di sovrapposizione strutturale si sposta sul bordo dell'area di contatto. Di conseguenza, diventa più piccolo. Tuttavia, un gran numero di particelle rimane "bloccato" nei pozzetti del substrato, per cui è necessaria una forza relativamente grande per vincere la resistenza del cluster contro il movimento e per sottrarlo al substrato. Se, invece, il grappolo è attorcigliato con una coppia, l'area di sovrapposizione si restringe simmetricamente. "Questo rende molto più facile spingere il cluster e metterlo in moto, poiché l'area di sovrapposizione strutturale è già stata notevolmente ridotta dalla coppia applicata", afferma Xin Cao, spiegando come la spinta e la rotazione simultanee riducano l'attrito statico.
Sulla base delle proprietà dei pattern moiré osservati, i fisici non solo sono stati in grado di spiegare perché una rotazione aggiuntiva facilita la traslazione di oggetti microscopici, ma anche di fare previsioni sulla dipendenza dell'attrito statico dalle rotazioni dalla dimensione del cluster:quando quest'ultimo supera ad una certa soglia, l'attrito statico contro le rotazioni diminuisce fortemente, determinando uno stato di bassissimo attrito statico per ammassi molto grandi. "Un tale stato di basso attrito può essere molto rilevante per la fabbricazione e il funzionamento di piccoli dispositivi meccanici, dall'atomico alla microscala, avvicinandoci alla realizzazione di macchine più piccole ed efficienti", conclude Clemens Bechinger. + Esplora ulteriormente
