La temperatura influisce notevolmente sulle proprietà di attrito perché, aumentando, il coefficiente di attrito diminuisce e la scorrevolezza aumenta gradualmente. Inoltre, i tassi di usura aumentano significativamente a causa del calore di attrito cumulativo, danneggiando ulteriormente gli elettrodomestici. Per migliorare la durata degli elettrodomestici, gli scienziati dell'Università di Leicester stanno comprendendo la superlubrità per l'efficienza energetica. Hanno scoperto che abbassare la temperatura superficiale riduce l'attrito gestendo gli effetti delle vibrazioni casuali sugli atomi superficiali.
Un team di scienziati dell'Università di Leicester ha condotto ricerche approfondite per rendere le superfici ancora più scivolose. Si tratta di una svolta nella comprensione della superlubrificazione, ovvero la condizione in cui due superfici presentano un attrito minimo o quasi inesistente quando scorrono l'una sull'altra. Il concetto di superlubrificazione è legato a superfici estremamente lisce a livello molecolare, come il grafene. Finora, questo fenomeno era stato osservato solo in laboratorio, dove queste superfici venivano create su scala molto ridotta.
Il professor Nikolai Brilliantov dell'Università di Leicester e un team internazionale di scienziati hanno scoperto che le vibrazioni casuali degli atomi superficiali creano fluttuazioni sincrone sulle superfici degli oggetti, generando attrito. Le vibrazioni persistono a tutte le temperature superiori allo zero assoluto e la loro intensità diminuisce al diminuire della temperatura. Ciò implica che ridurre la temperatura superficiale può effettivamente ridurre l'impatto dell'attrito.
Il professor Brilliantov della Scuola di Informatica e Scienze Matematiche di Leicester ha affermato: "Una differenza così marcata rispetto all'attrito comune è intrigante e necessita di una spiegazione. La superlubrificazione presenta anche altre caratteristiche sorprendenti, come l'insolita dipendenza della forza di attrito dalla velocità di scorrimento, dalla temperatura e dall'area di contatto. Tutte queste dipendenze sono opposte a quelle previste dalle tradizionali leggi di Amontons-Coulomb. Spiegare l'enigmatico comportamento della superlubrificazione contribuirà a controllare l'attrito ultra-basso, aprendo orizzonti straordinari per le sue applicazioni industriali."
Innovazioni nell'attrito
La superlubrità è un fenomeno notevole che è molto diverso dall'attrito tradizionale. In questo stato, l'attrito può essere minore e non è influenzato dal peso di un oggetto. Ciò significa che aumentare il peso di un oggetto da grammi a decine di chilogrammi non cambierà il livello di forza di attrito.
Le potenziali applicazioni di questa tecnologia per la riduzione dell'attrito in macchine e meccanismi sono molto promettenti. Può ridurre l'attrito da 1000 a 10,000 volte rispetto ai metodi convenzionali. È risaputo che gli oggetti più pesanti incontrano una maggiore resistenza allo scorrimento rispetto a quelli più leggeri, un principio noto come legge di attrito di Amontons-Coulomb , stabilito oltre 300 anni fa.
Impostazione sperimentale e misurazioni
Per studiare i principi della superlubrificazione, i ricercatori hanno stabilito un contatto tra due superfici molecolarmente lisce. Utilizzando la microscopia a forza laterale, hanno misurato la forza di attrito facendo scorrere una punta su un substrato. Entrambe le superfici erano rivestite con uno strato di grafene . Inoltre, hanno condotto esperimenti numerici approfonditi utilizzando simulazioni di dinamica molecolare per sviluppare un modello realistico del fenomeno. È fondamentale che le superfici rimangano incommensurabili. Ciò garantirà che le creste di una superficie non si allineino con le valli dell'altra.
Quando le superfici hanno una temperatura diversa da zero, si verifica attrito a causa delle ondulazioni superficiali causate dalle fluttuazioni termiche. Gli scienziati hanno dimostrato che l'attrito è causato dalla flessione sincronizzata di due superfici a stretto contatto, creando fluttuazioni termiche. La temperatura delle superfici influisce direttamente sull'ampiezza di queste fluttuazioni sincroniche, con temperature più elevate che determinano ampiezze maggiori. La dimensione dell'area di contatto influisce sulle fluttuazioni superficiali e impedisce il movimento.
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Possibilità future
Dopo aver compreso la superlubrità per l'efficienza energetica, il professor Brilliantov ha aggiunto: "Siamo stati in grado di spiegare il meccanismo atomistico dell'enigmatica indipendenza della forza di attrito dal peso di un corpo e abbiamo formulato nuove leggi di attrito per la superlubrità. Queste leggi, sebbene siano in netto contrasto con le leggi di Amontons-Coulomb, descrivono questo fenomeno piuttosto bene. Una volta che gli strati molecolari a superficie liscia saranno prodotti su scala di millimetri o centimetri, tutti i contatti in movimento, rotanti e oscillanti nelle macchine e nei meccanismi saranno ricoperti da tali strati superficiali. Ciò ridurrà drasticamente il consumo di energia in tutto il mondo. Per ridurre ulteriormente il consumo di energia, i contatti più grandi saranno probabilmente mantenuti a basse temperature".
