Gli scienziati risolvono l'intrigante fenomeno della superlubrificazione e ne formulano le leggi / Scientists resolve intriguing phenomenon of superlubricity and formulate its laws

Gli scienziati risolvono l'intrigante fenomeno della superlubrificazione e ne formulano le leggi / Scientists resolve intriguing phenomenon of superlubricity and formulate its laws

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa 

La sincronicità delle fluttuazioni termiche superficiali, responsabili dell'attrito, dimostrata dalle simulazioni MD.  /  The synchronicity of surface thermal fluctuations, responsible for friction, demonstrated by MD simulations.

I ricercatori di Skoltech hanno spiegato perché l'attrito molto debole obbedisce a leggi diverse da quelle che governano l'attrito regolare come lo conosciamo dalla fisica scolastica. Tra le altre caratteristiche inaspettate e controintuitive, le leggi di attrito alternative formulate dal gruppo rivelano perché l’aumento del peso di un corpo che scivola lungo una superficie non provoca necessariamente un maggiore attrito.

Comprendere come funziona l’attrito a livello microscopico potrebbe aprire la strada al controllo e allo sfruttamento dell’attrito ultrabasso in numerosi meccanismi che farebbero risparmiare enormi quantità di energia in tutto il mondo. I ricercatori riportano i loro risultati in Physical Review Letters.

In una certa misura, tutti hanno un senso intuitivo della cosiddetta legge di attrito di Amontons-Coulomb, le cui manifestazioni osserviamo abitualmente nella vita di tutti i giorni. Formulato più di 300 anni fa, afferma che l'attrito, che si verifica, ad esempio, quando si trascina un corpo pesante sul terreno, aumenta con il peso del corpo. Si dice che i due valori, la forza di attrito ed il peso del corpo, siano direttamente proporzionali tra loro.

"Sorprendentemente, questa legge non vale per la superlubrificazione, il caso di attrito estremamente basso", afferma il professor Nikolay Brilliantov di Skoltech, il ricercatore principale dello studio.

"L'attrito superlubrificante, che è ordini di grandezza inferiore all'attrito convenzionale, non dipende dal peso del corpo, per dirla in termini semplici. Puoi aumentare il peso del corpo migliaia di volte, ad esempio da un chilogrammo a poche tonnellate - ma l'attrito non cambierà, rimanendo piccolo quanto 1 chilogrammo. Questo fenomeno è davvero intrigante e richiede una spiegazione."

Ci sono un paio di altre caratteristiche sorprendenti della superlubrificazione, come l’insolita dipendenza della forza di attrito dalla velocità di scorrimento, dalla temperatura e dall’area di contatto: tutto ciò va contro le convenzionali leggi di Amontons-Coulomb.

Un gruppo di ricercatori della Skoltech guidato da Brilliantov ha risolto l'enigma della superlubrificabilità. Hanno effettuato uno studio complesso, con esperimenti condotti dal gruppo del professor Albert Nasibulin, simulazioni numeriche eseguite dal ricercatore Alexey Tsukanov del gruppo di Brilliantov e la concettualizzazione teorica del fenomeno fornita dallo stesso Brilliantov.

Il gruppo ha spiegato il meccanismo atomistico dietro la sconcertante indipendenza della forza di attrito dal peso del corpo scorrevole (dal "carico normale", in termini scientifici) e ha formulato leggi di attrito alternative per la superlubrificazione. Descrivono bene il fenomeno ma contrastano nettamente con le leggi di Amontons-Coulomb.

In termini semplici, gli effetti sconcertanti possono essere spiegati come segue. La superlubrificazione è associata a superfici molto lisce, fino al livello atomico, come la superficie del grafene, materiale a base di carbonio. Inoltre, il contatto delle due superfici dovrebbe essere incommensurabile. Ciò significa che la rugosità a livello atomico (chiamata anche corrugazione) delle due superfici non dovrebbe essere reciprocamente coerente.

In altre parole, le potenziali “colline” di una superficie non dovrebbero adattarsi ai potenziali “pozzi” dell’altra. Se le “colline” e i “pozzi” si incastrano, le due superfici si incastrano, ed è necessaria una forza notevole per farle scorrere. Le superfici non commisurate, invece, non si bloccano, e quindi scivolano facilmente.

Tuttavia, possono verificarsi attriti a causa delle fluttuazioni termiche. Le fluttuazioni fuori piano delle superfici a contatto ne aumentano notevolmente la ruvidità a livello atomico , che ostacola il movimento relativo delle due superfici.

I ricercatori di Skoltech, tuttavia, hanno dimostrato che non tutte le fluttuazioni termiche sono importanti, ma solo quelle che sono sincronizzate, quando le due superfici si piegano simultaneamente, pur rimanendo in stretto contatto. Tali fluttuazioni richiedono un'energia minima e non dipendono dal carico normale, cioè dal peso del corpo scorrevole. Questo spiega perché l'attrito è indipendente dal peso. Inoltre, lo scorrimento relativo delle superfici guida queste fluttuazioni sincrone - le "grinze superficiali" - nella direzione del movimento con la velocità di scorrimento.

Tale guida richiede energia, che si dissipa nella maggior parte del materiale sotto forma di calore, determinando una forza di attrito dissipativo proporzionale alla velocità.

Maggiore è la temperatura delle superfici, maggiore è l'ampiezza delle fluttuazioni sincrone. Maggiore è l'area di contatto, maggiore è il numero di fluttuazioni superficiali che ostacolano il movimento relativo. L'analisi quantitativa di questi effetti produce le rispettive leggi di superlubrificazione riportate nel documento.

ENGLISH

Skoltech researchers have explained why very weak friction obeys different laws than those governing regular friction as we know it from school physics. Among other unexpected and counterintuitive features, the alternative friction laws formulated by the team reveal why increasing the weight of a body sliding along a surface does not necessarily cause greater friction.

Understanding how friction works at the microscopic level could pave the way for controlling and exploiting ultralow friction in numerous mechanisms that would save enormous amounts of energy worldwide. The researchers report their findings in Physical Review Letters.

To some extent, everyone has an intuitive sense of the so-called Amontons-Coulomb friction law, whose manifestations we routinely observe in everyday life. Formulated more than 300 years ago, it says that friction, arising, for example, when you drag a heavy body across the ground, increases with the weight of the body. The two values—the force of friction and the body's weight—are said to be directly proportional to one another.

"Surprisingly, this law does not hold for superlubricity, the case of extremely low friction," says Skoltech Professor Nikolay Brilliantov, the principal investigator of the study.

"Superlubric friction, which is orders of magnitude smaller than conventional friction, does not depend on the body's weight, to put it in simple terms. You may increase the weight of the body thousands of times—say, from a kilogram to a few tons—but the friction will not change, remaining as small as for 1 kilogram. This phenomenon is really intriguing and calls for an explanation."

There are a couple of other surprising features of superlubricity, such as the unusual dependence of the friction force on sliding velocity, temperature, and contact area—all this runs counter to the conventional Amontons-Coulomb laws.

A team of researchers from Skoltech led by Brilliantov has resolved the enigma of superlubricity. They carried out a complex study, with experiments conducted by the group of Professor Albert Nasibulin, numerical simulations run by Research Scientist Alexey Tsukanov from Brilliantov's group, and the theoretical conceptualization of the phenomenon furnished by Brilliantov himself.

The team explained the atomistic mechanism behind the puzzling independence of the friction force from the sliding body's weight (from the "normal load," in scientific terms) and formulated alternative friction laws for superlubricity. They describe the phenomenon well but contrast sharply with the Amontons-Coulomb laws.

In simple terms, the puzzling effects may be explained as follows. Superlubricity is associated with surfaces that are very smooth, down to the atomic level—like the surface of the carbon-based material graphene. Moreover, the contact of the two surfaces should be incommensurate. That means the atomic-level roughness (also called corrugation) of the two surfaces should not be mutually coherent.

In other words, the potential "hills" of one surface should not fit into the potential "wells" of the other. If the "hills" and "wells" fit, the two surfaces lock together, and a considerable force is needed to make them slide. Incommensurate surfaces, on the other hand, do not lock, and therefore slide easily.

Still, friction may arise due to thermal fluctuations. The out-of-plane fluctuations of the surfaces at contact noticeably increase their atomic-level roughness, which hinders the relative motion of the two surfaces.

The Skoltech researchers demonstrated, however, that not all thermal fluctuations are important—only those that are in sync, when the two surfaces bend simultaneously, while remaining in tight contact. Such fluctuations require minimal energy and do not depend on the normal load, i.e., the weight of the sliding body. This explains why friction is independent of the weight. Moreover, the relative sliding of the surfaces drives these synchronous fluctuations—the "surface wrinkles"—in the direction of motion with the sliding velocity.

Such driving requires energy, which dissipates in the bulk of the material as heat, resulting in a dissipative friction force proportional to the velocity.

The larger the temperature of the surfaces, the larger the amplitude of the synchronous fluctuations. The greater the contact area, the larger the number of surface fluctuations that hinder relative motion. Quantitative analysis of these effects yields the respective laws of superlubricity reported in the paper.

Da:

https://phys.org/news/2024-01-scientists-intriguing-phenomenon-superlubricity-laws.html