محققان دانشگاه پنسیلوانیا میگویند میتوان با افزایش جرم اتمهای روی سطح، اصطکاک بین دو جسم را کاهش داد، اتمهای سنگینتر نسبت به همتایان سبکتر خود، در فرکانسهای کمتر نوسان میکنند.
این محققان نشان دادهاند که در نتیجه اتمهای سنگینتر، اتلاف انرژی بهصورت گرما را، بین دو سطحی که به هم سائیده میشوند، کاهش میدهند. این نتایج میتواند برای طراحی نانوموادی با خواص اصطکاکی ویژه مفید باشد و حتی ممکن است فهم اساسی بهتری از اصطکاک به دانشمندان بدهد.
کاهش اصطکاک در مقیاس نانو با اتمهای سنگینتر
محققان دانشگاه پنسیلوانیا میگویند میتوان با افزایش جرم اتمهای روی سطح، اصطکاک
بین دو جسم را کاهش داد، اتمهای سنگینتر نسبت به همتایان سبکتر خود، در فرکانسهای
کمتر نوسان میکنند.
این محققان نشان دادهاند که در نتیجه اتمهای سنگینتر، اتلاف انرژی بهصورت گرما
را، بین دو سطحی که به هم سائیده میشوند، کاهش میدهند. این نتایج میتواند برای
طراحی نانوموادی با خواص اصطکاکی ویژه مفید باشد و حتی ممکن است فهم اساسی بهتری از
اصطکاک به دانشمندان بدهد.
اصطکاک بین دو جسم، مستلزم تبدیل انرژی جنبشی به گرماست که این ضرورتاً مربوط به
نوسان اتمهای این مواد است. روبرت کارپیک از دانشگاه پنسیلوانیا و همکارانش، با
ساییدن نوک یک میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) روی سطوح سیلیکون و الماس بلوری، در مورد
اینکه چگونه این تبدیل اتفاق میافتد، یک دیدگاه جدید به دست آوردهاند. آنها نیروی
اصطکاک بین نوک AFM و سطوحی را، که یکی با تکلایهای از اتمهای هیدروژن و دیگری
با تکلایهای از اتمهای دوتریم پوشیدهشده بودند، اندازهگیری کردند. دوتریم
همان خواص شیمیایی هیدروژن را دارد ولی جرم آن دو برابر است. بنابراین این محققان
توانستند بدون نگرانی از تأثیر خواص شیمیایی، تأثیر جرم اتمی روی اصطکاک را بررسی
کنند.
این گروه تحقیقاتی ـ که در آن محققانی از دانشگاه ویسکانسین مادیسون و دانشگاه
هوستون نیز حضور داشتند ـ پی برد که هر چه جرم اتمی اتمهای رویی در سطح(در این
حالت دوتریم) بزرگتر باشد، اتلاف انرژی به واسطه اصطکاک کمتر است. کارپیک توضیح میدهد:
«جرم اتمی بزرگتر دوتریم منجر به فرکانس پایینتر نوسان طبیعی اتمها میشود. این
اتمها با فرکانس پایینتری با نوکی که روی سطح سائیده میشود، برخورد میکنند،
بنابراین اتلاف انرژی به واسطه این برخوردها، با شدت کمتری اتفاق میافتد.»
مطالعات شبیهسازی که بهوسیله این گروه انجام شدهاست، نشان میدهد که فرکانس کمتر
دوتریم، از شدت انتقال انرژی جنبشی از نوک AFM به نوسانات میکاهد. این لایه از اتمها
روی سطح بهصورت مؤثری بهعنوان محیط انتقالدهنده انرژی عمل کرده، انرژی جنبشی از
نوک AFM را جذب میکند. مقدار انرژی جذبشده به فرکانس نوسان طبیعی اتمهای سطح
بستگی دارد و اتمهای سبکتر، سریعتر از اتمهای سنگینتر انرژی را جذب میکنند.
این نتایج فهم اساسی بهتری را از اصطکاک که هنوز فاقد مدل جامعی است، ارائه میکنند.
ماتیو بروکمان، عضو این گروه تحقیقاتی، میگوید: «ما میدانیم بعضی از خواص از قبیل
چسبندگی، زبری و سختی ماده، چگونه بر اصطکاک تأثیر میگذارند؛ اما اکنون این تحقیق
نشان میدهد که واقعاً پدیده مقیاس اتمی نیز در این زمینه میتواند نقش مهمی را
بازی کند.»
نتایج این تحقیق در مجله Science منتشر شدهاست.
