شمایی از تغییر الگوی موآره تحت تأثیر نیروها و گشتاورهای خارجی برای یک خوشه کلوئیدی دایره‌ای شکل که با یک سطح با ساختار متناوب در تماس است. مناطقی که ذرات خوشه نزدیک به پایین چاه های سطح طرح دار هستند به صورت مناطق تیره رنگ در الگوهای موآره مربوطه ظاهر می شوند. عرض فلش ها نشان دهنده مقدار نیرو و/یا گشتاور مورد نیاز برای غلبه بر اصطکاک ایستایی بین خوشه و سطح است. تصویر از: آندره سیلوا Andrea Silva و ژین چائو Xin Cao.

اگر تا به حال تلاش کرده باشید که یک مبل سنگین را حرکت دهید، احتمالا توجه کرده اید که چرخاندن مبل در حین هُل دادن آن، کار را آسان تر می کند. پژوهشگران در آلمان و ایتالیا اکنون همین این پدیده را در مقیاس میکرو بررسی کرده و در این فرآیند، شرایط لازم برای اینکه مواد میکروسکوپی در یک سطح کریستالی با کمینه گشتاور خالص بچرخند را کشف نموده اند. این یافته تئوری که گروه پژوهشگران با انجام آزمایش هایی روی کره های مغناطیسی بسیار کوچک تایید کردند توانست به توسعه میکرو و نانو ماشین ها برای کاربرد در حوزه هایی از قبیل رباتیک و انتقال دارو یاری برساند.

برای حرکت دادن یک جسم - خواه بزرگ یا کوچک - شخص باید نیرویی برای غلبه بر اصطکاک ایستایی انتقالی آن با سطح زیرین وارد کند. این یک اصل بنیادی مکانیک است، در عین حال رابطه بین اصطکاک انتقالی و چرخشی پیچیده است و حتی در مقیاس های طولی بسیار کوچک جایی که سطوحِ در تماس می توانند به کوچکی چند صد اتم باشند، پیچیده تر هم می شود. در دستگاه های نانومقیاس، اصطکاک انتقالی یک مشکل ویژه است زیرا نسبت های سطح به حجم بالا در آنها به این معناست که پوشش های نانومقیاس به سرعت فرسوده می شوند و حتی ممکن است خود به خود در هنگام تماس به یکدیگر بچسبند.

شبیه سازی سطح برخورد بین دو پوششِ اتمیِ تخت

اعضای یک گروه تحت هدایت کِلِمِنز بِچینگر Clemens Bechinger از دانشگاه کُنستانز آلمان با ساختن خوشه های کریستالی از کره های مغناطیسی در مقیاس میکرون شروع به مطالعه رابطه بین اصطکاک ایستایی انتقالی و چرخشی کردند. آنها سپس این کره ها را در تماس با یک پوشش ساختار یافته متشکل از فرورفتگی هایی با فاصله های متناوب شبیه به یک شانه تخم مرغ قرار دادند. ژین چائو سرپرست نویسندگان مقاله در پژوهش منتشر شده در نشریه Physical Review X توضیح می دهد که این سیستم نوعی از تماس که بین دو پوشش اتمی تخت رخ می دهد را شبیه سازی می کند.

پژوهشگران سپس خوشه های کریستالی را با استفاده از یک میدان مغناطیسی چرخان که حدود 10 تا 1000 ذره کروی را از هر خوشه در تماس با پوشش نگه می دارد، به چرخش درآوردند. کمینه گشتاور مورد نیاز برای مجبور ساختن خوشه به چرخش، با اصطکاک ایستایی چرخشی مرتبط است که بنا بر توضیح پژوهشگران مشابه اصطکاک ایستایی انتقالی است که کمینه نیروی مورد نیاز برای راندن خوشه را مشخص می کند.

پژوهشگران دریافتند به محض اینکه چرخش از یک آستانه مشخص فراتر برود، اصطکاک ایستایی به طور قابل توجهی کاهش می یابد و حالتی از اصطکاک ایستایی فوقِ کم برای خوشه های بسیار بزرگ تولید می شود. بچینگر می گوید: "چنین حالت کم اصطکاکی به مواد میکروسکوپیک اجازه می دهد تا با اعمال یک مقدار کمینه ای از گشتاور در وضعیت چرخان قرار بگیرند و می تواند کاملا بر ساخت و عملکرد دستگاه های مکانیکی کوچک - از مقیاس اتمی تا میکرو – موثر بوده، ما را به تحقق ماشین هایی در ابعاد کوچکتر و بازدهی بیشتر نزدیکتر کند."

یک برهم نهی از انتقال و چرخش

بچینگر به physics world می گوید: "تحت شرایط واقع بینانه حرکت اجسام یک برهم نهی از انتقال و چرخش است." "در بسیاری از کاربردها مهم است که مقاومت اصطکاکی که با چنین حرکتی همراه است را بشناسیم زیرا اصطکاک انرژی را تلف می کند و حتی ممکن است به خرابی دستگاه ها منجر شود. بر خلاف اصطکاک انتقالی، اصطکاک چرخشی بسیار کم شناخته شده است. اما حالا ما در پژوهش خود به دومی پرداخته ایم."

تاکنون، پژوهشگران روی سطوح کاملا متناوب تمرکز کرده اند. بچینگر می گوید: "ما در پژوهش آینده خود، نقص های ساختاری را که تحت شرایط بسیاری وجود دارند، اضافه خواهیم کرد."

منبع:

Low-friction state makes moving micro-objects easier

ترجمه خبر: بهناز ساربانها