Travailler ensemble pour étudier le frottement à l'échelle atomique, des chercheurs de l'UC Merced et de l'Université de Pennsylvanie ont mené les premières expériences et simulations à l'échelle atomique du frottement à des vitesses qui se chevauchent.

Dans "Dynamics of Atomic Stick-Slip Friction examinée avec la microscopie à force atomique et des simulations atomiques à des vitesses qui se chevauchent, " Ouvre une nouvelle fenêtre. un article publié dans Lettres d'examen physique , Professeur d'ingénierie UC Merced Ashlie Martini, L'étudiant diplômé Zhijiang Ye et ses partenaires de Penn révèlent comment ils ont surmonté les limitations technologiques de l'étude de la friction à une si petite échelle. Ils espèrent que leurs travaux mèneront éventuellement à une meilleure compréhension de la manière de contrôler la friction et l'usure des machines.

L'équipe a accéléré un véritable microscope à force atomique et ralenti une simulation d'un, enrichir un corpus de connaissances sur un phénomène appelé "frottement stick-slip, " qui affecte souvent le glissement aux échelles macro et atomique.

Martini et Ye ont travaillé avec le professeur de génie mécanique et de mécanique appliquée de Penn, Robert Carpick, et plusieurs autres étudiants diplômés. C'est une collaboration cultivée depuis de nombreuses années.

« Nous en sommes à notre troisième subvention de la National Science Foundation (NSF) ensemble, " a déclaré Martini. "Nos modèles expliquent les expériences, et les expériences aident à vérifier les modèles."

Le frottement glissant - la résistance associée au glissement - est le produit de points de contact atomiques entre deux objets temporairement collés ensemble. Ils restent ainsi jusqu'à ce que la force appliquée fournisse suffisamment d'énergie élastique pour qu'ils se séparent. Les pointes glissent alors et glissent jusqu'à ce qu'elles se bloquent à nouveau.

Mais étudier les interactions atomiques sous-jacentes au frottement glissant est intrinsèquement difficile, car les points de contact sont obscurcis en affleurant les uns contre les autres.

Pour contourner ce problème, les chercheurs en friction utilisent souvent la pointe d'un microscope à force atomique (AFM), un instrument ultra-sensible capable de mesurer les forces du nanonewton, comme un point de contact. Parce qu'une pointe AFM fonctionne un peu comme une aiguille d'enregistrement, les chercheurs peuvent mesurer la friction subie par la pointe lorsqu'elle est traînée sur une surface. Les modèles de Martini et Ye prédisent la dynamique de tous les atomes individuels dans cette pointe.

La qualité des mesures dans une expérience AFM dépend de la prévention des vibrations parasites dans la pointe. D'habitude, les chercheurs font glisser la pointe d'environ 1 micromètre par seconde, au plus vite. Pour faire correspondre cette expérience à une simulation, les atomes individuels de la pointe et de la surface sont modélisés sur ordinateur.

Mais faire les mesures de cette manière a ses problèmes :chaque image dans une simulation doit être calculée dans des pas si petits qu'un ordinateur aurait besoin d'environ 30 ans pour simuler la vitesse du micromètre par seconde de l'expérience AFM réelle.

Pour surmonter cette limite, typiquement, les pointes simulées glissent un million de fois plus vite que dans les expériences, les chercheurs devaient donc se rencontrer au milieu. Martini et Ye ont trouvé un moyen de ralentir leurs conseils de modèles, tandis que les chercheurs de Penn ont accéléré leurs vrais.

"Cette étude ouvre maintenant de nombreuses possibilités pour utiliser toutes les connaissances atomiques disponibles dans les simulations atomistiques pour interpréter de manière fiable les résultats des études expérimentales, " a déclaré Carpick. " Nous sommes optimistes que cela conduira éventuellement à des idées générales et pratiques à comprendre, contrôler et réduire la friction et l'usure."

En plus des résultats de la recherche elle-même, Martini a déclaré que la collaboration profite aux étudiants diplômés de l'UC Merced. Ils se rendent à Penn quelques semaines chaque année et travaillent directement avec leurs chercheurs partenaires, qui les aide à se préparer à la vie après les études supérieures.

"L'école supérieure peut être assez insulaire, " a déclaré Martini. " Cela aide à préparer les étudiants au monde réel, où le travail d'équipe est monnaie courante."