מודלים ממוחשבים מציגים מבט חדש על חיכוך ננומטרי

בקנה-מידה ננומטרי – מיליארדית המטר – חיכוך יכול להביא לידי מהומה לא קטנה בהתקנים זעירים המורכבים רק ממספר קטן של אטומים או פרודות. בשל יחס השטח-נפח הגבוה שלהם, ננו-חומרים רגישים במיוחד לכוחות חיכוך

בכדי להבין את תופעת החיכוך בקנה-מידה ננומטרי, צוות מהנדסים מאוניברסיטת וויסקונסין נאלץ לחשוב בגדול. חיכוך הינו כוח הפועל בכל מערכת בה חלקים נעים באים במגע זה עם זה; ככל ששטח המגע גדול יותר, כך גדול יותר הכוח. בקנה-מידה ננומטרי – מיליארדית המטר – חיכוך יכול להביא לידי מהומה לא קטנה בהתקנים זעירים המורכבים רק ממספר קטן של אטומים או פרודות. בשל יחס השטח-נפח הגבוה שלהם, ננו-חומרים רגישים במיוחד לכוחות חיכוך.

אולם, לחוקרים יש קושי בתיאור החיכוך במידות כה קטנות מכיוון שתיאוריות קיימות אינן מהימנות מספיק עבור פעילותם המעשית של ננו-חומרים. באמצעות הדמיות מחשב, קבוצת המחקר הראתה כי חיכוך ברמה האטומית מתנהג בדומה לחיכוך הנוצר בין עצמים גדולים. חמש מאות שנים לאחר שליאונרדו דה-וינצי גילה את החוקים הבסיסיים של החיכוך עבור עצמים גדולים, צוות המחקר הראה כי חוקים דומים מאוד פועלים גם ברמה הננומטרית. הצוות, בראשותה של Izabela Szlufarska, פרופסור למדע החומרים ולהנדסה, פרסם את ממצאיו בגיליון פברואר של כתב-העת המדעי Nature.

תיאוריות נוכחיות לגביי חיכוך ננומטרי מבוססות על הרעיון כי משטחים ננומטריים הינם חלקים, אולם, במציאות, המשטחים דומים יותר לרכס-הרים, בו כל פסגה מתאימה לאטום או פרודה יחידה.

צוות המחקר ביצע הדמיות מחשב שהתייחסו לננו-חומרים כאוסף של אטומים, תוך כדי מעקב פרטני אחר מיקומם ופעולות-הגומלין שלהם לכל אורך תהליך ההחלקה. "לראשונה, דימינו חיכוך בממדים דומים ביותר לתנאי-ניסוי בעודנו משמרים את ההפרדה האטומית ואת פעולות-הגומלין המעשיות ביניהם," מסבירה החוקרת.

הצוות גילה חוקים בסיסיים של חיכוך ננומטרי. הם גילו כי החיכוך יחסי למספר האטומים המגיבים בין שני משטחים ננומטריים. ההדמיות של החוקרים הראו כי, ברמה הננומטרית, חומרים הבאים במגע זה עם זה מתנהגים יותר כעצמים מחוספסים גדולים המתחככים זה בזה מאשר שני משטחים חלקים לחלוטין, כפי שסברו קודם לכן. "כאשר אתה מתבונן בזה קרוב יותר, המשטח מורכב מאטומים, כך שהמגע הוא בעצם מחוספס," מסבירה החוקרת.

המידע שנאסף מההדמיות של החוקרים תואם במידה רבה את המידע הניסיוני שהצטבר בעבר – דבר שמודלים קודמים כשלו בו. החוקרים מקווים להשתמש בהדמיות ככלי להבנת המנגנונים המשפיעים על החיכוך, הן ברמה המיקרוסקופית והן בזו המיקרוסקופית.

"אף אחד לא מסוגל כיום לתת תחזית מהימנה לגביי חיכוך צפוי או לתכנן חומרים בעלי תכונות חיכוך רצויות – אנו מדדנו מספר רב של מקדמי חיכוך עבור חומרים שונים, אך לא באמת ברור כיצד לייחס אותם לתכונותיהם של החומרים," היא מסבירה. מקורו של החיכוך הוא באמת תחום מחקר פתוח וצומח."

הידיעה המקורית מהאוניברסיטה