Φυσικοί ανέπτυξαν τεχνική που εξαφανίζει την τριβή και μπορεί να συμβάλει στην ανάπτυξη των νανομηχανών (video)

Η τριβή είναι παρούσα παντού γύρω μας, εμποδίζοντας την κίνηση των ελαστικών ενός αυτοκινήτου στο οδόστρωμα, την κίνηση ενός στυλό στο χαρτί και ακόμη τη ροή των πρωτεϊνών μέσω της κυκλοφορίας του αίματος. Όποτε δύο επιφάνειες έρχονται σε επαφή, υπάρχει τριβή, εκτός από πολύ ειδικές περιπτώσεις όπου η τριβή ουσιαστικά εξαφανίζεται – ένα φαινόμενο, γνωστό ως «υπερολισθηρότητα», στο οποίο επιφάνειες, απλά σύρονται η μια πάνω από την άλλη, χωρίς αντίσταση.

Τώρα, φυσικοί στο MIT ανέπτυξαν μια πειραματική τεχνική για την προσομοίωση της τριβής σε νανοκλίμακα. Χρησιμοποιώντας την τεχνική τους, οι ερευνητές είναι σε θέση να παρατηρήσουν άμεσα μεμονωμένα άτομα στη διεπαφή των δύο επιφανειών και να χειριστούν τη διευθέτησή τους, συντονίζοντας το μέγεθος της τριβής μεταξύ των επιφανειών. Αλλάζοντας τη απόσταση των ατόμων σε μία επιφάνεια, παρατήρησαν ένα σημείο στο οποίο η τριβή εξαφανίζεται.

Ο Vladan Vuletic, καθηγητής της Φυσικής στο ΜΙΤ, λέει ότι η ικανότητα να συντονίσει κάποιος την τριβή θα ήταν πολύ χρήσιμη για την ανάπτυξη νανομηχανών, μικροσκοπικών ρομπότ κατασκευασμένων από συστατικά στο μέγεθος των μεμονωμένων μορίων. Ο Vuletic λέει ότι στη νανοκλίμακα, η τριβή μπορεί να λάβει μια μεγαλύτερη τιμή, για παράδειγμα, δημιουργώντας φθορές λόγω χρήσης σε μικροσκοπικά μοτέρ πολύ πιο γρήγορα από ότι συμβαίνει στις μεγαλύτερες κλίμακες.

«Υπάρχει μια μεγάλη προσπάθεια να κατανοήσουμε την τριβή και την ελξουμε, γιατί είναι ένας από τους περιοριστικούς παράγοντες στις νανομηχανές, αλλά υπήρξε σχετικά μικρή πρόοδος στον ουσιαστικό έλεγχο της τριβής σε οποιαδήποτε κλίμακα», λέει ο Vuletic. «Αυτό που είναι νέο στο δικό μας σύστημα, είναι ότι για πρώτη φορά σε ατομική κλίμακα, μπορούμε να δούμε αυτή τη μετάβαση από την τριβή στην υπερολισθηρότητα».

Ο Vuletic, μαζί με τους μεταπτυχιακούς φοιτητές Alexei Bylinskii και Dorian Gangloff, δημοσιεύουν τα αποτελέσματά τους στο περιοδικό Science. Η ομάδα προσομοίωσε την τριβή σε νανοκλίμακα πρώτα διαμορφώνοντας δύο επιφάνειες που πρόκειται να τοποθετηθούν σε επαφή: ένα οπτικό πλέγμα και ένα κρύσταλλο ιόντων.

Το οπτικό πλέγμα δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας δύο ακτίνες λέιζερ που εκπέμπονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, των οποίων τα πεδία αθροίστηκαν για να σχηματίσουν ένα ημιτονοειδές περιοδικό μοτίβο σε μία διάσταση. Αυτό το λεγόμενο οπτικό πλέγμα είναι παρόμοιο με ένα κουτί τοποθέτησης αυγών, όπου κάθε κορυφή αντιπροσωπεύει ένα μέγιστο ηλεκτρικό δυναμικό, ενώ το καθένα κοίλωμα αντιπροσωπεύει ένα ελάχιστο. Όταν τα άτομα κινούνται κατά μήκος ενός τέτοιου ηλεκτρικού πεδίου, σύρονται σε χώρους με χαμηλό δυναμικό – σε αυτή την περίπτωση, στα κοιλώματα.

Ο Vuletic τότε κατασκεύασε μια δεύτερη επιφάνεια: ένα ιοντικό κρύσταλλο – ουσιαστικά, ένα πλέγμα από φορτισμένα άτομα – προκειμένου να μελετήσουν τις επιπτώσεις της τριβής, άτομο προς άτομο. Για τη δημιουργία του ιοντικού κρυστάλλου, η ομάδα χρησιμοποίησε φως για να ιονίσει, ή να φορτίσει, ουδέτερα άτομα υττερβίου που αναδύονται από ένα μικρό θερμαινόμενο φούρνο και στη συνέχεια ψύχονται, με περισσότερο φως λέιζερ, μόλις πάνω από το απόλυτο μηδέν. Τα φορτισμένα άτομα τότε μπορεί να παγιδευτούν, χρησιμοποιώντας διαφορές δυναμικού που εφαρμόζονται στις κοντινές μεταλλικές επιφάνειες. Άπαξ και φορτίστηκαν θετικά, το ένα άτομο απωθεί το άλλο μέσω της λεγόμενης «δύναμης Coulomb». Η απώθηση κρατά αποτελεσματικά τα άτομα χωριστά έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα κρύσταλλο ή μια επιφάνεια που μοιάζει με πλέγμα.

Η ομάδα χρησιμοποίησε στη συνέχεια, τις ίδιες δυνάμεις που χρησιμοποιούνται για την παγίδευση των ατόμων για να σπρώξει και να τραβήξει τον ιοντικό κρύσταλλο κατά μήκος του πλέγματος, καθώς και για να τεντώσει και να συμπιέσει τον ιοντικό κρύσταλλο, σαν ένα ακορντεόν, μεταβάλλοντας την απόσταση μεταξύ των ατόμων της.

Σε γενικές γραμμές, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι όταν τα άτομα στον ιοντικό κρύσταλλο ήταν κανονικά τοποθετημένα, σε διαστήματα που ταιριάζουν με την διάταξη του οπτικού πλέγματος, οι δύο επιφάνειες παρουσίασαν μέγιστο τριβής, σαν δύο συμπληρωματικά τουβλάκια Lego. Η ομάδα παρατήρησε ότι όταν τα άτομα είναι έτσι τοποθετημένα, το κάθε ένα καταλαμβάνει μια κοιλότητα στο οπτικό πλέγμα. Όταν ο ιοντικός κρύσταλλος στο σύνολό του σύρθηκε κατά μήκος του οπτικού πλέγματος, τα άτομα πρώτα έτειναν να κολλήσουν στις κοιλότητες του πλέγματος, δεσμευόμενα εκεί λόγω της προτίμησής τους για το χαμηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό, καθώς και λόγω των δυνάμεων Coulomb, που κρατούν τα άτομα χωριστά. Εάν εφαρμοστεί αρκετή δύναμη, ο ιοντικός κρύσταλλος γλιστρά ξαφνικά, καθώς τα άτομα συλλογικά πηδούν στο επόμενο κοίλωμα. «Είναι σαν ένας σεισμός», λέει ο Vuletic. «Υπάρχει δύναμη οικοδόμησης και στη συνέχεια υπάρχει ξαφνικά μια καταστροφική απελευθέρωση της ενέργειας».

Ο Tobias Schaetz, ένας καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Freiburg στη Γερμανία, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα, βλέπει τα αποτελέσματα ως μια «καθαρή επανάσταση» στην απόκτηση βαθιάς γνώσης στην «κατά τα άλλα απρόσιτη θεμελιώδη φυσική». Η τεχνική, λέει, μπορεί να εφαρμοστεί σε μια σειρά από τομείς, από την νανοκλίμακα έως την μακροκλίμακα. Θεωρεί πως η νέα μέθοδος θα δώσει ώθηση σε μια τεράστια ποικιλία ερευνητικών πεδίων, που μπορεί να φτάσουν μέχρι τα βιολογικά συστήματα και τους κινητήρες πρωτεϊνών.

«Οι εφαρμογές και οι σχετικές επιπτώσεις της νέας τους μεθόδου ωθεί μια τεράστια ποικιλία των ερευνητικών πεδίων διερεύνηση επιπτώσεων από σχετική τεκτονική σχεδία κάτω σε βιολογικά συστήματα και τις πρωτεΐνες του κινητήρα», λέει ο Schaetz, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. «Φανταστείτε-είπε-μια μοριακή μηχανή όπου θα μπορούσε να ελέγξει την τριβή για να ενισχύσει την επαφή για έλξη ή να μετριάσει τις αντιστάσεις ανάλογα με τη ζήτηση».

Πηγή: Massachusetts Institute of Technology

Περισσότερα στο άρθρο: Tuning friction atom-by-atom in an ion-crystal simulator, Science 5 June 2015: 1115-1118