Oplichtende moleculen leggen wrijvingsgeheimen bloot

Mechanische wrijving (frictie) is verantwoordelijk voor 30% van de wereldwijde energieconsumptie, maar is wetenschappelijk slecht begrepen en daardoor lastig te voorspellen. Oppervlakken hebben op microscopische schaal altijd een zekere ruwheid. Ook grote objecten raken elkaar uiteindelijk op de schaal van atomen, maar hoe de details van zulke contacten er precies uit zien is niet bekend. De onderzoekers hebben een unieke methode bedacht om deze details zichtbaar te maken.

Fysisch contact door een chemische bril

Door de handen ineen te slaan zijn natuurkundigen en scheikundigen van de UvA en FOM erin geslaagd moleculen te maken die oplichten onder druk. De moleculen worden met chemische bindingen vastgemaakt aan een van beide oppervlakken die vervolgens met elkaar in contact worden gebracht. De moleculen laten precies zien waar de kracht waarmee beide oppervlakken tegen elkaar aan worden gedrukt, wordt gedragen. De onderzoekers demonstreerden hun techniek door een kunststof bol in contact te brengen met een plat glasoppervlak en het oplichten van de moleculen te bekijken in een fluorescentiemicroscoop.

De fameuze fysicus Heinrich Hertz beschreef al in 1881 theoretisch hoe het contactoppervlak toeneemt met de toename van de kracht waarmee de objecten tegen elkaar worden gedrukt. In hun experimenten konden de onderzoekers laten zien dat de theorie op de micrometerschaal perfect werkt, maar tegelijk konden ze binnen het contactgebied fijne details waarnemen. Die zijn het gevolg van de ruwheid van het oppervlak van de plastic bol. 

Hoe kleiner hoe meer frictie

Met de nieuwe techniek is het voor het eerst mogelijk om de contacten op moleculaire schaal zichtbaar te maken. Daarmee kunnen onderzoekers dieper inzicht krijgen in het verschijnsel ‘wrijving’ en de talloze toepassingen waarin dat een rol speelt. Zo krijgen kleine apparaten of kleine onderdelen van grotere apparaten die moeten bewegen, naar mate ze verder geminiaturiseerd worden meer te maken met frictie. Een tandwieltje met tanden van een paar micrometer dik bijvoorbeeld, kan veel sneller wegslijten door frictie dan een grotere variant. Hierdoor legt frictie op dit moment een beperking op aan de verdere miniaturisatie van toepassingen met bewegende onderdelen. 

Fluorescence Microscopy Visualization of Contacts between Objects, Tomislav Suhina, Bart Weber, Chantal E. Carpentier, Kinga Lorincz, Peter Schall, Daniel Bonn & Albert M. Brouwer, Angewandte Chemie International Edition, 28 januari 2015. DOI:10.1002/anie.201410240).