Ett fynd som involverar friktionsvarians vid olika hastigheter mellan två olika typer av ytor trotsar uppenbarligen en experimentell fysiklag, enligt nypublicerad forskning.
Ett internationellt team av forskare från University of Basel och Tel Aviv University rapporterar att friktionen mellan grafenstrukturer mot platinaytor verkar variera med hastigheten, en observation som de säger uppenbarligen trotsar lagen av Coulomb.
Uppkallad efter den franske fysikern Charles-Augustin de Coulomb, som först publicerade 1785 sina observationer angående mätning av kraftmängderna mellan elektriskt laddade partiklar i stationära positioner, involverar Coulombs omvända kvadratlag de krafter som genereras mellan ett par laddade föremål. I grund och botten, när avståndet mellan objekt ökar, minskar krafterna och de elektriska fälten som skapas mellan dem.
Denna experimentella fysiklag fungerade som en grundläggande komponent i utvecklingen av teorin om elektromagnetism i slutet av 1700-talet genom att hjälpa till att ge ett ramverk för diskussionen om mängder av elektrisk laddning. Idag kallas den elektriska kraft som finns mellan ett par laddade kroppar i vila sålunda “Coulombs kraft” eller, enklare, elektrostatisk kraft.
Men de experiment som genomförts av forskargruppen i Basel och Tel Aviv kan nu utgöra en oväntad utmaning för vår mångåriga förståelse av lagen.
Med vanliga användningsområden som sträcker sig från antimikrobiella och antistatiska klädefibrer till elektronik, energi och försvarstillämpningar, är grafen en allotrop av kol som består av ett enda lager av atomer som har ett bikakearrangemang. Sådana material som består av enkla atomlager har extremt låg friktion, vilket gör dem idealiska för användning som en smörjyta mellan rörliga rymdskeppskomponenter.
När den placeras i kontakt med ytor som består av platina, en sällsynt jordartsmetall, är grafen känd för att kunna utöva ett dramatiskt inflytande på friktionskrafter. Enligt nyligen publicerad forskning av det internationella laget rapporterar de överraskande nya fynd relaterade till grafenens rörelse på en platinayta som inte är beroende av hastighet, ett fynd som tycks falla under våra förväntningar baserat på Coulombs lag.
Enligt lagets papper, “Friktionskraftsmikroskopi-experiment på moiré-superstrukturer av grafenbelagda platinaytor visar att förutom stick-slip atomdynamik, uppstår en ny väg för avledning av dominerande energi. ” Specifikt, moiré-överbyggnader (även känd som moiré-supergitter) är ett resultat som uppstår när grafen, som används tillsammans med ett platinasubstrat som det som teamet använde i sin forskning, slutar bilda sin “i bikaka” av kolatomer. Den resulterande ytan blir betydligt strävare och har inte längre sin helt plana utsida.
Dr. Ernst Meyer, professor vid det schweiziska institutet för nanovetenskap och institutionen för fysik vid universitetet i Basel och en av tidningens medförfattare, förklarar att förskjutningen av grafenspetsen på den grova ytan i låg hastighet tillät laget att “mäta en låg och nästan konstant friktionskraft.
Enligt deras papper rapporterar forskarna att två faktorer förklarar den observerade variansen i mätningar av friktionshastighet. Den ena involverar den låga och nästan konstanta friktionskraften vid lägre hastigheter, medan den andra involverar logaritmiska ökningar av friktion med hastigheten vid överskridande av vissa trösklar som forskarna kunde identifiera.
“Over en viss tröskel ökar dock friktionen med hastigheten på AFM-spetsen”, säger Dr Yiming Song, huvudförfattare till tidningen. “Ju större Moiré-överbyggnaden är, desto lägre är tröskeln vid vilken friktionen blir hastighetsberoende”, sa Song i ett uttalande.
Baserat på deras forskning mättes större motstånd längs åsarna på Moiré-överbyggnader när grafenspetsen rörde sig genom dem, där elastisk deformation uppstår på grund av tryck från kontakt med spetsen. Resultatet är en större mängd friktionskraft, som ökar med hastigheten med vilken spetsen rör sig, en observation kompletterad med simuleringar och modeller som teamet säger hjälpte dem att bekräfta sina experimentella resultat. En annan långvarig fysiklag blir således mottagaren av nya utmaningar för innovativ forskning.
“Baserat på mätningarna och simuleringsresultaten härleds en fenomenologisk modell”, säger teamet i sin senaste artikel, som de hävdar har gjort det möjligt för dem att göra friktionsberäkningar under en rad olika uppmätta experimentella förhållanden. vid rumstemperatur, vilket hjälper till att tillhandahålla “Utmärkt överensstämmelse med experimentella observationer.”
Teamets dagbok, “Hastighetsberoende av moiréfriktionpublicerades i tidskriften Nanobokstäver i november.