Controle over wrijving in machines

Wrijving is moeilijk te voorspellen en te beheersen, vooral omdat oppervlakken die in contact komen zelden perfect vlak zijn. Volgens nieuwe experimenten wordt de hoeveelheid wrijving tussen twee siliciumoppervlakken ook op grote schaal bepaald door het vormen en verbreken van microscopisch kleine chemische bindingen. Dit maakt het mogelijk om de hoeveelheid wrijving te beheersen met behulp van technieken uit de oppervlaktechemie.

De resultaten zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.

Wrijving is naar schatting verantwoordelijk voor meer dan 20% van het mondiale energieverbruik. Het beheersen van wrijving in machines is ook belangrijk voor het verminderen van materiaalslijtage en het vergroten van de precisie bij het positioneren.

“Er is een gebrek aan kwantitatief inzicht in wrijving, ondanks de cruciale rol ervan bij het aanpakken van uitdagingen zo uiteenlopend als het voorspellen van aardbevingen en het verminderen van het energieverbruik in mechanische apparaten”, zegt promovendus Liang Peng, die het onderzoeksproject uitvoerde.

Peng werkte samen met andere onderzoekers van het Institute of Physics en het Van ‘t Hoff Institute of Molecular Sciences van de Universiteit van Amsterdam, en het Advanced Research Center for Nanolithography (ARCNL). Het onderzoek maakt deel uit van een lopende samenwerking om wrijving van macroscopisch tot microscopisch niveau te onderzoeken.

De afgelopen jaren hebben nieuwe onderzoeksmethoden het mogelijk gemaakt voor onderzoekers om in te zoomen op wat er precies gebeurt wanneer twee oppervlakken contact maken en over elkaar heen glijden. Als erop wordt ingezoomd zijn oppervlakken nooit perfect glad. Op de schaal van een nanometer, een miljardste van de grootte van een meter, zien ze eruit als bergachtige landschappen met uitgesproken pieken en dalen. Volgens eerdere experimenten en numerieke simulaties wordt wrijving op deze kleine schaal grotendeels bepaald door het vormen en breken van bindingen tussen oppervlakteatomen. De wrijving wordt ook beïnvloed door de ruwheid van de rakende oppervlakken en de atomen of moleculen (zoals water) die op het grensvlak aanwezig zijn.

“We besloten deze nanowrijvings-mechanismen te testen op grotere, industrieel relevante schaalniveaus”, aldus Peng. Met behulp van een reometer bestudeerden de onderzoekers hoe de wrijving tussen een relatief ruwe silicium bol en een glad plaatje van silicium afhangt van de dichtheid van microscopisch kleine chemische bindingen op het grensvlak. Silicium is niet alleen interessant voor de halfgeleiderindustrie; de overvloed ervan in de aardkorst maakt het ook relevant voor de studie van aardbevingen.

Stikstofgas

Na het verwijderen van verontreinigingen op de oppervlakken ontdekten de onderzoekers dat er veel minder kracht nodig was om de bol over het plaatje te laten glijden – met andere woorden: er was minder wrijving – naarmate de oppervlakken langer werden gedroogd in puur stikstofgas. Verdere experimenten lieten zien wat er gebeurt op atomair niveau: langer drogen vermindert het aantal hydroxylgroepen (OH) aan het siliciumoppervlak dat beschikbaar is voor het vormen van chemische bindingen. Via deze groepen kunnen er silicium-zuurstof-siliciumbindingen (Si-O-Si) ontstaan tussen twee siliciumoppervlakken die in contact komen met elkaar.

Wrijving beheersen

Volgens de onderzoekers is er een opvallend verband tussen de wrijvingskracht gemeten op grote schaal en de dichtheid van microscopische Si-OH-groepen die aanwezig zijn op de twee siliciumoppervlakken vóór contact. Het aantal hydroxylgroepen bepaalt namelijk hoeveel Si-O-Si-bindingen er kunnen vormen wanneer er contact wordt gemaakt. De dichtheid van de Si-OH-groepen wordt geregeld door de tijdsduur in te stellen gedurende welke de gereinigde oppervlakken worden gedroogd. Dit maakt het mogelijk om de wrijvingskracht tussen siliciumoppervlakken kwantitatief te voorspellen en te beheersen.

“Ons resultaat is behoorlijk opmerkelijk omdat het een kwantitatief begrip van macroscopische wrijving geeft vanuit de basisprincipes. Onze bevindingen kunnen dus de kenniskloof overbruggen die het beheersen van wrijving in de weg zit,” concludeert Liang.