“无摩擦”世界就要来了?

2015-6-29 13:31| 发布者: 高华华| 查看: 747| 评论: 0|来自: 研发埠

摘要: 摩擦无处不在,比如说,轮胎依靠阻力在路上运动,笔依靠滚动摩擦在纸上留下笔迹甚至是蛋白质流过血管时会遇到阻力。当两个界面相互接触时候,一般都会有摩擦产生,但是摩擦消失后,就会产生一种名叫“超润滑”的现象。在这样的表面中,两个面可以没有阻力自由滑动。减小摩擦的技术可以推动纳米技术的发展。 ...
       (译者:金庸)
       摩擦无处不在,比如说,轮胎依靠阻力在路上运动,笔依靠滚动摩擦在纸上留下笔迹甚至是蛋白质流过血管时会遇到阻力。当两个界面相互接触时候,一般都会有摩擦产生,但是摩擦消失后,就会产生一种名叫“超润滑”的现象。在这样的表面中,两个面可以没有阻力自由滑动。


       现在,MIT的物理学家开发出了一种实验方法来模拟纳米级的摩擦。采用他们的技术,研究人员可以直接观测到两个界面的原子,并且操控他们的排布,从而操控他们两个面之间的摩擦。通过改变一个面上的原子分布情况,他们可以观测到摩擦发生的过程。

       Vladan Vuletic是MIT的一名Lester Wolfe专家,认为如果能调整物体之间的摩擦将会对纳米机械的发展起推动性的作用——可以用单分子尺度的物质组件微型机器人。Vuletic说,“在纳米尺度上,摩擦可以产生一额外的力——比如说,与大的马达相比,小型马达是更加容易产生磨损与损耗的。”

       Vuletic说:“现在仍旧需要花很多时间与精力去理解摩擦和控制摩擦,因为这是限制发展纳米机械的一重要因素,但是目前看来,需要走的路还有很长。对我们来说,首次在原子尺度来进行科学研究,但这也是我们能观察到摩擦到超润滑的一个角度。”

       与Alexei Bylinskii和Dorian Gangloff一起的研究生Vuletic在《自然》杂志上发表了他们最新的研究成果


       摩擦和力场

       该团队首次在纳米尺度上模拟了摩擦的情况,首次设计出让一光学晶格和一离子晶体进行接触。

       光学晶格在两个不同的方向发射出不同的激光束。这样就会在一个维度上叠加形成一种正弦曲线型的的场。这个所谓的光学晶格与蛋品的包装盒相近。每个峰值代表一电势的最大值,每个波谷代表电势的最小值。当原子通过该电厂时,就会往电势低的地方运动——即往波谷运动。

       接下来Vuletic设计了第二个面:一个离子晶体。显然,网格的节点上充满了原子,为了研究原子与原子之间的摩擦作用。用激光将晶体离子化并且充电。中性的铱原子就从一个小的加热炉移动到一个温度接近于绝对零度的地方。带电原子就会依靠电压从金属表面跃迁出来。一旦带上正电荷,原子就会受到库仑力的作用相互排斥。排斥力使得两个原子分开形成了一种晶体或者类似晶格的表面。

       研究团队施加了一种力,这种力可以使得原子在离子晶体和晶格之间来回徘徊。这种力也可以拉伸和挤压离子晶体,这个就像拉手风琴一样,使得原子的结构排布改变了。

       一个是地震一个是履带车

       通常研究人员发现离子晶体中的原子是由规律的分布的,每隔一段距离就会与光学晶格的间隔相匹配。此时,两个面之间的摩擦力是最大的。就像两个匹配的乐高积木那样。研究人员发现:当原子分布时,在光学晶体的波谷中都会被一个原子占据着。当离子晶体作为整体被拉过光学晶体的表面时,原子往往首先会进入晶体的波谷中,因为那电势低,比较稳定。当原子之间的库仑力大到一定程度时候,原子就会受力跃迁到下一个波谷。

       Vuletic说:“这个就像发生一场地震一样,当力增大到一定程度就会释放出能量,这就能量的突然释放就像发生了一场地震一样。”

       研究团队继续对离子晶体进行拉伸和挤压来控制原子的排布,并对其进行研究,研究表明:如果原子空间排列是与光学晶格错位的话,两个界面之间的摩擦就会消失。在这样的情况下,晶体往往不会粘附再一起,而是瞬间滑落,但是会从光学晶格中顺利地流过,就像一个履带走过坑地一样。

       比方说,有些排布是一些原子是在波谷,一些是在波峰,还有一些原子在他们之间。因为离子晶体是被拉过光学晶格的,比如说第一个原子可能刚刚滑落波峰一点点,释放了一点能量,这可以让第二个原子爬离波谷一点点,也可以是第三个原子,等等以此类推。

       Vuletic说:“目前我们所做的工作是调整原子之间的距离,让他们既不达到光学晶格的最大摩擦,也不会达到没有摩擦的的超润滑情况。”

       Gangloff认为:“目前团队的技术不仅仅是对实现纳米机械有帮助,也可以帮助控制蛋白质,分子或者别的生物成分。”

       “在生物界内,有很多不同的分子和原子彼此接触,相互之间滑动,摩擦就像生物分子的运动马达一样,这样就会产生摩擦或者使得摩擦消失。” Gangloff说道,“在这样的情况下,就可能需要直觉来组合安排原子的位置,从而使得摩擦可控。”

       德国弗莱堡大学的物理学教授Tobias Schaetz对词给予高度评价,他认为这个结果是一个创新性的突破,可以对以前没法解决的基础物理现象,现在可以尝试用这种方法去探索。这项技术可以用于很多领域,从纳米尺度到宏观尺度。

       没有参与这项研究的Schaetz说,“这项研究的应用与其相关的一些方法可以推动很多研究领域的发展,从筏的构造学到生物系统和生物蛋白,就简单想象一个纳米机械,我们可以随意控制摩擦来增强接触和减少曳力对其的影响。”

       这项工作得到了加拿大国家自然科学基金和国家科学与工程研究委员会。

       译自:http://newsoffice.mit.edu/2015/tuning-friction-nanomachine-development-0604
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