اگر شما به آرامی انگشتتان را روی یک میز فشار داده و آن را در امتداد سطح حرکت دهید، خواهید دید که نسبتاً به آرامی سر می‌خورد. اگر انگشتتان را محکمتر فشار دهید، حرکت آن دشوارتر خواهد شد، چون اصطکاک بیشتری تولید می‌شود. اما اکنون محققان در آمریکا و چین نشان داده‌اند که اگر شما همان آزمایش را با کمک نوک میکروسکوپ نیروی اتمی (Atomic Force Microscope) روی سطح یک گرافیت انجام دهید، اثر اصطکاک با وارد کردن فشار بیشتر، وارونه می‌شود. برای اجسام بزرگ مانند انگشت و میز، اصطکاک بین دو سطح ناشی از زبری سطوح، ناخالصی، لایه اکسیدی و عوامل متعدد دیگر است. در مقیاس نانو‌‌‌‌‌‌‌‌متر، برهم‌کنش‌های اتمی منفرد مهم می‌شود. در نتیجه قوانین نانوتریبولوژی (علم مطالعه اصطکاک در مقیاس نانومتر) می‌تواند به کلی با اصطکاکی که ما در دنیای ماکروسکوپی تجربه می‌کنیم، متفاوت باشد. برای مثال اصطکاک می‌تواند گاهی اوقات با شبکه اتمی به‌صورت دوره‌ای تغییر کند. اهمیت نانوتریبولوژی در حال افزایش است چرا که دانشمندان و مهندسان  دستگاه‌های با ابعاد نانو را با کاربردهای گستره توسعه داده‌اند.

حرکت نوک میکروسکوپ نیروی اتمی روی سطح گرافیتی

ضریب اصطکاک  تغییرات اصطکاک را به عنوان تابعی از بار مشخص می‌کند. این می‌تواند در مقیاس نانومتر زمانی که اصطکاک به طور غیر‌خطی با بار افزایش می‌یابد، بسیار متغیر باشد.

اندازه‌گیری‌های عادی

کشف غیر‌منتظره‌ای توسط دنگ وایل حین اندازه‌گیری اصطکاک بین نوک میکروسکوپ الماسی و یک سطح گرافیتی بر حسب تابعی از بار نوک، صورت گرفت. زمانی که دنگ بار روی سوزن را افزایش داد، همانطور که انتظار می‌رفت، اصطکاک نیز افزایش یافت. اما زمانی که او بار تیغه را دوباره کاهش داد، به‌جای کاهش اصطکاک با افزایش دوباره آن مواجه شد. این مانند آن است که با فشار کمتر انگشت در حین حرکت آن روی میز با اصطکاک بیشتری مواجه شویم! این با همه پیش‌بینی‌های نظری در مغایرت است و اولین باری است که ضریب اصطکاک معکوس برای یک ماده ثبت می‌شود. افزایش اصطکاک با کاهش بار هم‌چنان ادامه دارد تا زمانی که تیغه از سطح گرافیت کاملاً جدا می‌شود. بنابراین چه اتفاقی می‌افتد؟ تحقیقات قبلی بیان می‌کند که موادی مانند گرافیت که ساختار اتمی ‌لایه‌ای دارند، با سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی، تنها زمانی اصطکاک بیشتری تولید می‌کنند که ضخامت ماده چندین اتم باشد. این قابل درک است چرا که مواد نازک‌تر انعطاف بیشتری دارند. زمانی که این ماده با نوک میکروسکوپ تماس پیدا می‌کند، در مقایسه با نمونه ضخیم‌تر، تغییر شکل بیشتری پیدا می‌کند. در نتیجه سطح تماس افزایش یافته و بنابراین اصطکاک بیشتری تولید می‌شود.

یک سطح چسبناک؟

گروه کانارا روی گرافیت حجمی کار می‌کردند. محققان گمان می‌کردند زمانی که سوزن به سطح ماده فشار داده شود، جذب بین مولکولی لایه‌های اتمی بالاتر، به سمت نوک میکروسکوپ الماسی به اندازه کافی وجود دارد تا زمانی که بار کاهش پیدا می‌کند، این لایه‌ها مقدار کمی از گرافیت جدا شده و به نوک میکروسکوپ بچسبند و به این ترتیب اصطکاک ایجاد کنند. تنها زمانی که نوک میکروسکوپ کاملاً از سطح جدا شود، گرافیت به حالت اولیه بر‌می‌گردد. دو شبیه‌سازی کامپیوتری مختلف نشان می‌دهد که این فرضیه محتمل است اگرچه تفاوت‌های تکنیکی بین شبیه‌سازی‌ها باید رفع شود. رابرت کارپیک، عضوی از این تیم، می‌گوید آن‌ها نشان داده‌اند که نتایج قابل اطمینان بوده و به طور متقاعد‌کننده‌ای به چسبندگی سطح مربوط است. در مقاله کارپیک به چهار ماده پرداخته شده است که همگی آن‌ها ساختار لایه‌ای یکسانی دارند و در همه موارد رابطه‌ای بین ضخامت و اصطکاک وجود دارد. کارپیک اکنون در تلاش است ببیند آیا این تحلیل‌ها در مورد سایر مواد معدنی مانند سولفید مولیبدنیم با همان ساختار لایه‌ای نیز وجود دارد. نتایج در مجله Nature Material منتشر شده است.

منبع : http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/oct/18/negative-friction-surprises-researchers

نویسنده : Tim Vogan