Temperatuur heeft een grote invloed op de wrijvingseigenschappen, want naarmate de temperatuur stijgt, neemt de wrijvingscoëfficiënt af en neemt de gladheid geleidelijk toe. Bovendien nemen de slijtagesnelheden aanzienlijk toe door de cumulatieve wrijvingswarmte, wat de apparaten verder beschadigt. Om de levensduur van apparaten te verbeteren, begrijpen wetenschappers van de Universiteit van Leicester supersmeerbaarheid voor energie-efficiëntie. Ze ontdekten dat het verlagen van de oppervlaktetemperatuur de wrijving vermindert door de effecten van willekeurige trillingen op oppervlakteatomen aan te pakken.
Een team van wetenschappers van de Universiteit van Leicester heeft actief onderzoek gedaan naar manieren om oppervlakken nóg gladder te maken. Het is een doorbraak in het begrip van supergladheid, waarbij twee oppervlakken minimale tot bijna geen wrijving vertonen wanneer ze over elkaar glijden. Het concept van supergladheid is gekoppeld aan zeer gladde oppervlakken op moleculair niveau, zoals grafeen. Het is tot nu toe alleen waargenomen in laboratoriumomstandigheden, waar dergelijke oppervlakken op zeer kleine schaal worden gecreëerd.
Professor Nikolai Brilliantov van de Universiteit van Leicester en een internationaal team van wetenschappers hebben ontdekt dat willekeurige trillingen van oppervlakteatomen synchrone fluctuaties op de oppervlakken van objecten veroorzaken, wat leidt tot wrijving. Deze trillingen blijven bestaan bij alle temperaturen boven het absolute nulpunt en hun sterkte neemt af naarmate de temperatuur daalt. Dit impliceert dat het verlagen van de oppervlaktetemperatuur de impact van wrijving effectief kan verminderen.
Professor Brilliantov van de Leicester School of Computing and Mathematical Sciences zei: "Een dergelijk dramatisch verschil met gewone wrijving is intrigerend en behoeft een verklaring. Er zijn nog andere verrassende kenmerken van supergladheid, zoals de ongebruikelijke afhankelijkheid van de wrijvingskracht van de glijsnelheid, de temperatuur en het contactoppervlak. Al deze afhankelijkheden zijn tegengesteld aan die voorspeld door de traditionele wetten van Amontons-Coulomb. Het verklaren van het raadselachtige gedrag van supergladheid zal helpen om ultralage wrijving te beheersen, wat adembenemende mogelijkheden voor industriële toepassingen kan openen."
Doorbraken in wrijving
Superlubricity is een opmerkelijk fenomeen dat enorm verschilt van traditionele wrijving. In deze toestand kan de wrijving kleiner zijn en wordt deze niet beïnvloed door het gewicht van een object. Dit betekent dat het verhogen van het gewicht van een object van grammen naar tientallen kilogrammen het niveau van de wrijvingskracht niet zal veranderen.
De potentiële toepassingen van deze technologie voor het verminderen van wrijving in machines en mechanismen zijn zeer veelbelovend. Het kan de wrijving tot wel 1000 tot 10,000 keer verminderen in vergelijking met conventionele methoden. Het is een bekend feit dat zwaardere objecten een grotere weerstand ondervinden bij het glijden dan lichtere, een principe dat bekend staat als de wet van Amontons-Coulomb , die meer dan 300 jaar geleden werd vastgesteld.
Experimentele opstelling en metingen
Om de principes van supergladheid te onderzoeken, brachten onderzoekers twee moleculair gladde oppervlakken met elkaar in contact. Met behulp van laterale krachtmicroscopie maten ze de wrijvingskracht door een tip over een substraat te laten glijden. Beide oppervlakken waren bedekt met een laag grafeen . Daarnaast voerden ze uitgebreide numerieke experimenten uit met behulp van moleculaire dynamica-simulaties om een realistisch model van het fenomeen te ontwikkelen. Het is essentieel dat de oppervlakken incommensurabel blijven. Dit garandeert dat de pieken van het ene oppervlak niet samenvallen met de dalen van het andere oppervlak.
Wanneer de oppervlakken een temperatuur hebben die niet nul is, treedt er wrijving op door oppervlaktegolven die worden veroorzaakt door thermische fluctuaties. Wetenschappers hebben aangetoond dat wrijving wordt veroorzaakt door gesynchroniseerde buiging van twee oppervlakken die dicht bij elkaar staan, waardoor thermische fluctuaties ontstaan. De temperatuur van de oppervlakken heeft direct invloed op de amplitude van deze synchrone fluctuaties, waarbij hogere temperaturen resulteren in grotere amplitudes. De grootte van het contactoppervlak heeft invloed op oppervlaktefluctuaties en belemmert beweging.
Ontdek hoe ontwikkelingen in dual-atom katalysatoren de efficiëntie van hernieuwbare energie verhogen.
Toekomstige mogelijkheden
Na het begrijpen van superlubricity voor energie-efficiëntie, voegde professor Brilliantov toe: "We zijn in staat geweest om het atomistische mechanisme van de raadselachtige onafhankelijkheid van wrijvingskracht op het gewicht van een lichaam te verklaren en nieuwe wrijvingswetten voor superlubricity te formuleren. Deze wetten, hoewel ze in scherp contrast staan met de Amontons-Coulomb-wetten, beschrijven dit fenomeen vrij goed. Zodra moleculaire gladde oppervlaktelagen op de schaal van millimeters of centimeters worden geproduceerd, zullen alle bewegende, roterende, oscillerende contacten in machines en mechanismen bedekt zijn met dergelijke oppervlaktelagen. Het zal het energieverbruik wereldwijd drastisch verminderen. Om het energieverbruik verder te verminderen, zullen de grootste contacten mogelijk op lage temperaturen worden gehouden."
