研究人员在原子级开发了摩擦界面

日期:2018-05-16 浏览:27

em麻省理工学院的科学家们在原子级开发了一种摩擦界面。这种新技术可以调节两个表面之间的摩擦,直至摩擦消失。 / em

我们身边都有摩擦力,抵抗人行道上轮胎的运动,笔在纸上的乱涂,甚至蛋白质通过血流。只要有两个表面接触,就会产生摩擦,除非摩擦力基本上消失的特殊情况下,这种现象称为“超润滑”,表面只是互相滑动而没有阻力。

现在麻省理工学院的物理学家已经开发出一种模拟纳米级摩擦的实验技术。利用他们的技术,研究人员能够直接观察两个表面界面处的单个原子并操纵它们的排列,调整表面之间的摩擦量。通过改变一个表面上的原子间距,他们观察到摩擦消失的点。

麻省理工学院莱斯特沃尔夫物理学教授Vladan Vuletic表示,调整摩擦的能力将有助于开发纳米​​机器 - 利用单个分子大小构建的小型机器人。 Vuletic表示,在纳米尺度下,摩擦可能会产生更大的力量 - 例如,在微小的电机上产生磨损和撕裂的速度比在更大尺度上的磨损要快得多。

“要理解摩擦并控制摩擦需要很大努力,因为它是纳米机器的限制因素之一,但在实际控制任何规模的摩擦方面进展相对较小,”Vuletic说。 “我们系统中的新功能是首次在原子尺度上,我们可以看到从摩擦到超润滑的转变。”

Vuletic和研究生Alexei Bylinskii和Dorian Gangloff在科学杂志上发表了他们的结果。

em了解MIT物理学家开发的模拟纳米级摩擦的技术。视频:Melanie Gonick / MIT(来自Alexei Bylinkskii的计算机模拟) / em

摩擦和力场

该团队通过首先设计两个表面进行接触来模拟纳米尺度的摩擦:光学晶格和离子晶体。

使用在相反方向传播的两个激光束产生光学晶格,所述光束的场合起来在一维上形成正弦周期性图案。这种所谓的光学晶格与蛋盒类似,其中每个峰代表最大电势,而每个谷代表最小值。当原子穿过这样的电场时,它们被吸引到最低电位的地方 - 在这种情况下,低谷。

Vuletic然后设计了第二个表面:一个离子晶体 - 基本上是一个带电原子的网格 - 以便通过原子来研究摩擦的影响。为了产生离子晶体,该团队使用光来电离或充电从小型加热炉中发出的中性镱原子,然后用更多的激光将其冷却至绝对零度以上。然后可以使用施加到附近金属表面的电压来捕获带电原子。一旦带正电荷,每个原子通过所谓的“库仑力”相互排斥。排斥有效地保持原子分开,以便它们形成晶体或晶格状表面。

然后团队使用相同的力来捕捉原子,推动和拉动离子晶体越过晶格,以及拉伸和挤压离子晶体,就像手风琴一样,改变了原子之间的间距。

地震和毛虫

一般来说,研究人员发现,当离子晶体中的原子按照与光学晶格间距相匹配的间隔有规律地间隔时,这两个表面经历了最大的摩擦,就像两个互补的乐高积木一样。研究小组观察到,当原子间隔时,每个原子在光学晶格中占据一个槽时,当离子晶体作为一个整体被拖过光学晶格时,原子首先倾向于粘在晶格的槽中,较低的电位以及保持原子分开的库仑力。如果施加足够的力,离子晶体突然滑落,原子集体跳到下一个槽。

“这就像地震一样,”Vuletic说。 “有力量建立起来,然后突然发生灾难性的能量释放。”

该小组继续拉伸和挤压离子晶体以操纵原子的排列,并发现如果原子间距与光学晶格的间距不匹配,则两个表面之间的摩擦消失。在这种情况下,晶体不会粘住,然后突然滑动,而是在光栅上流动地移动,就像毛毛虫在地面上滑动一样。

例如,在一些原子处于波谷而另一些原子处于峰值的布置中,并且还有一些原子处于其间的某些位置,因为离子晶体被拉过光学晶格,一个原子可能向下滑动一个峰值,释放一点点压力,使第二个原子更容易从槽中爬出 - 这反过来又拉第三个原子,等等。

“我们可以做的是随意调整原子之间的距离,以便与光学晶格匹配以实现最大摩擦,或者不匹配无摩擦,”Vuletic说。

冈洛夫补充说,该团队的技术不仅可以用于实现纳米机器,还可以用于控制蛋白质,分子和其他生物成分。

“在生物领域,由于摩擦或缺乏摩擦,各种分子和原子彼此接触,像生物分子马达一样滑动,”Gangloff说。 “因此,如何排列原子以最小化或最大化摩擦的直觉可以应用。”

德国弗莱堡大学物理学教授托比亚斯·谢茨认为,这一结果是深入了解“否则难以接近的基础物理学”的“明显突破”。他说,这项技术可能适用于许多领域,从纳米级到宏观级。

“他们新方法的应用和相关影响推动了大量研究领域的研究,这些研究领域涉及从木筏构造学到生物系统和运动蛋白相关的影响,”尚未参与该研究的Schaetz说。 “想象一个纳米机器,我们可以控制摩擦,增强牵引力的接触,或减轻需求阻力。”

这项工作部分由国家科学基金会和加拿大国家科学和工程研究委员会资助。

出版物:Alexei Bylinskii等人,“在离子晶体模拟器中调节原子的原子 - 原子”,科学2015年6月5日: 348号6239第1115-1118页; DOI:10.1126 / science.1261422

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

图片:Christine Daniloff / MIT和Alexei Bylinkskii