Å beskrive friksjon lett ved å gjøre det vanskelig
Alle vet hva friksjon er, men den er vanskelig å beskrive. Forskere har gjort en eldgammel, men vanlig modell lettere å bruke på nanoskala — ved å gjøre den mer komplisert.
Om du noen gang tar deg tid til å tenke på friksjon, tenker du kanskje på det å gni hendene dine frem og tilbake for å varme dem opp.
Men friksjon kan være et stort problem. Deler som gnisser mot hverandre kan bli utslitt. Maskiner kan bruke mer energi enn de burde. Det er ikke småtteri heller: Rundt 23 prosent av verdens energiforbruk skyldes friksjon.
Forskere er derfor på jakt etter nye metoder de kan bruke for å forstå hvordan friksjon faktisk virker på nanonivå, så de kan designe bedre smøremidler og andre måter å redusere friksjonen.
Problemet er at friksjon er ekstremt vanskelig å modellere. En av de mest vanlige matematiske modellene for friksjon på nanonivå ble foreslått allerede i 1929. Den er fortsatt i bruk fordi den spenner ganske vidt. Dessverre fungerer ikke modellen like godt for å beskrive mer komplekse systemer.
Friksjon er bra når du vil stoppe bilen. Men friksjon fører også til slitasje. Foto: Colourbox
Nå har to forskere ved NTNU justert modellen sånn at den bedre beskriver hvordan friksjon virker på nanonivå i todimensjonale materialer som grafén. Resultatene er publisert i Nature Communications.
- Les også: Bilforskning hjelper linefiskerne
Friksjon på en ujevn atomoverflate
Før du kan forstå hva forskerne gjorde, må du forstå hvordan forskere ser for seg friksjon.
En overflate kan se jevn ut, men under et kraftig mikroskop ser vi fort at overflaten er tydelig ujevn. Forskere som vil bruke en matematisk modell for å forklare friksjon, må ta denne ujevne overflaten med i beregningene.
– Når vi snakker om friksjon, tenker kanskje folk at vi skyver en boks over en overflate, sier førsteforfatter David Andersson ved Institutt for maskinteknikk og produksjon ved NTNU. – Men hvis du vil forstå hvordan friksjonen oppstår, er det gjennom kontakten mellom atomene.
Hvis du vil forstå hvordan friksjonen oppstår, er det gjennom kontakten mellom atomene.
Friksjon beskrives dermed som kraften som trengs for å dra noe over denne ujevne atomoverflaten. Det er i grunnen hvordan Prandtl-Tomlinson-modellen for friksjon fra 1929 beskriver det. En av nøkkelfunksjonene for den modellen er en beskrivelse av det som skjer når noe dras over en ujevn overflate: Det kan sette seg fast og brått løsne.
Dette fenomenet er faktisk synlig på stor skala også, for eksempel når to tektoniske plater i jordskorpen glir over hverandre. Folk som bor i seismisk aktive områder opplever jordskjelv når de tektoniske platene glipper.
Sånn beskriver NTNU-forskerne friksjon i nanoskala. Grafikk: Andersson, D., de Wijn, A.S. Understanding the friction of atomically thin layered materials. Nat Commun 11, 420 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-019-14239-2
Mysteriet med todimensjonale materialer
Grafén er blitt brukt som tilsetning til smøremidler i nesten 200 år, men det er bare et tiår siden forskere begynte å studere det og andre todimensjonale materialer i detalj. Grafén er et karbonlag som bare et ett atom tykt. Det kan være temmelig glatt.
Da forskere begynte å eksperimentere med grafénlag, og hvordan det påvirket friksjonen mellom overflatene, oppdaget de noe pussig, forteller Andersson og medforfatter og veileder Astrid de Wijn.
Forskerne fant at friksjonen var avhengig av antall lag på en, for dem, overraskende måte. Friksjonen var høyest om du bare hadde ett lag grafén og minsket etter hvert som du fikk flere lag. Dette forutså ikke Prandtl-Tomlinson-modellen.
Friksjonen var høyest om du bare hadde ett lag grafén og minsket etter hvert som du fikk flere lag. Dette forutså ikke Prandtl-Tomlinson-modellen.
– De som utførte eksperimentene la flere lag med grafén og andre todimensjonale materialer oppå hverandre, og fant at friksjonen minsket med flere lag. Det var ikke i tråd med forventningene, sier førsteamanuensis de Wijn. – Det var en merkelig oppførsel.
Andre teoretiske og eksperimentelle arbeider med grafénlag ga motstridende funn.
I tillegg til å være frustrerende for akademikere, er problemet mer enn bare en akademisk gåte. Forskere og ingeniører må ha grunnleggende modeller som kan hjelpe dem til å designe materialer eller smøremidler for å redusere friksjon mellom materialer og slitasje på dem.
- Les også: “Kikkhull” kan slanke biler
Grafen og andre todimensjonale materialer kan være svært nyttige, men ennå gjenstår mye å lære om dem. Illustrasjon: Colourbox
Modellen ble bedre av å bli mer kompleks
Andersson og de Wijn bestemte seg for å se på flere ulike artikler der eksperimenter viste motstridende funn. De ville se om de kunne komme frem til en modell som hjalp til med å forklare hva som foregår.
De innså at de kunne forklare de motstridende funnene ved å legge til en ekstra variabel i den gamle Prandtl-Tomlinson-modellen for friksjon. Den gamle modellen så bare på kraften som trengtes for å bevege noe over en overflate. Men da forskerne la til en variabel som beskriver deformasjon av overflaten, ble modellen bedre til å forutse friksjonen på nanonivå.
Da forskerne la til en variabel som beskriver deformasjon av overflaten, ble modellen bedre til å forutse friksjonen på nanonivå.
– Vi greide å forklare et dusin eksperimentelle artikler på en gang ved å legge til en komponent som tillot at materialet ble deformert, sier Andersson. – Vi fant den rette måten å utvide modellen for å forklare denne gåten.
- Les også: Tek opp kampen mot luftmotstanden
Praktiske konsekvenser for grafén
Forskerne håper at deres modell kan hjelpe andre forskere, spesielt når det kommer til grafén.
– Det finnes mange mysterier rundt grafén og hvordan det virker, sier de Wijn. Men den endrede modellen gjør at forskere bedre kan forstå friksjon for tynne lag av grafén og andre materialer.
For eksempel er modellen det første steget for å hjelpe ingeniører til å forstå ekstreme forvrengninger og brudd i atomtynne lag når disse blir utsatt for store påkjenninger.
– I den virkelige verden er slike ekstreme forvrengninger vanlige. De fører til at kjemiske bindinger brytes, at rifter oppstår, økt slitasje og økt friksjon i systemet, skriver de Wijn og Andersson. – Dette er et første steg mot en bedre måte å forstå slitasje. Det kan bidra til mer innsikt i utviklingen av praktiske bruksområder for grafén i lavfriksjonsteknologier.
Kilde: Andersson, D., de Wijn, A.S. Understanding the friction of atomically thin layered materials. Nat Commun 11, 420 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-019-14239-2
