Een nieuwe techniek voor het verfijnen van wrijvingskrachten op de grensvlakken tussen verschillende materialen is ontwikkeld door onderzoekers in Frankrijk. Julien Scheibert en collega's van de Universiteit van Lyon gebruikten eenvoudige en gemakkelijk aanpasbare metasurfaces om specifieke wrijvingscoëfficiënten te creëren op het grensvlak tussen glas- en elastomeermonsters.
Van touchscreens tot robothanden: wrijvingscontacten zijn een belangrijk onderdeel van veel moderne apparaten. Om hun prestaties te optimaliseren, moeten ontwerpers een strikte controle uitoefenen op de wrijvingskrachten op materiaalgrensvlakken. Ondanks eeuwen van zorgvuldig onderzoek hebben we echter nog steeds geen betrouwbare methode om de wrijvingscoëfficiënt over een bepaald grensvlak te voorspellen.
De grootste moeilijkheid bij het begrijpen van wrijving is de enorme diversiteit aan texturen die op oppervlakken voorkomen. De grootte van oppervlaktekenmerken kan verschillende ordes van grootte omvatten: van atomaire tot millimeterschalen. Omdat al deze kenmerken de wrijving tussen twee oppervlakken kunnen beïnvloeden, is het vaak ongelooflijk moeilijk om wrijvingscoëfficiënten op basis van de eerste principes te berekenen.
Momenteel zijn er twee hoofdtechnieken om de wrijving tussen oppervlakken te optimaliseren. Eén methode is om eenvoudigweg een paar materialen te selecteren die de juiste hoeveelheid wrijving ervaren. Vaak is het echter zo dat deze materialen niet de overige eigenschappen – thermisch, elektrisch etc. – hebben die nodig zijn voor een specifieke toepassing.
Slecht begrip
“De tweede techniek is het creëren van kunstmatige microtexturen op de oppervlakken”, legt Scheibert uit. “Maar omdat de relatie tussen textuur en wrijving nog steeds slecht begrepen wordt, worden geschikte texturen meestal pas geïdentificeerd na lange en kostbare experimentele campagnes.”
In hun onderzoek verbeterde het team van Scheibert de microtextuurbenadering door zeer eenvoudige metasurfaces te gebruiken die vierkante reeksen bolvormige kappen omvatten. Elke dop kan een specifieke hoogte krijgen ten opzichte van de andere doppen (zie figuur).
"Onder deze omstandigheden kan de [wrijvings]respons van het grensvlak nauwkeurig worden gemodelleerd, en kan de lijst met hoogten die het beoogde wrijvingsgedrag bieden, worden bepaald voordat de oppervlakken daadwerkelijk worden vervaardigd", legt Scheibert uit. Op deze manier kon het team verschillende texturen ontwikkelen om bij de eerste poging het gewenste niveau van grensvlakwrijving te bereiken.
De onderzoekers testten hun aanpak door metasurfaces te maken op centimetergrote monsters van een rubberachtig elastomeer. Elk oppervlak bevatte een rooster van 64 bolvormige kappen gemaakt van elastomeer. De hoogte waarop elke dop uit het oppervlak steekt, wordt individueel ingesteld, waardoor het team een reeks verschillende metasurfaces kan creëren.
Wrijving wordt gemeten door een vlak stuk glas op het metasurface te plaatsen en naar beneden te duwen terwijl het glas langs het metasurface wordt gesleept. Door de structuur van de metasurfaces op een systematische manier aan te passen, konden specifieke wrijvingscoëfficiënten op het grensvlak worden gecreëerd.
Twee verschillende wrijvingscoëfficiënten
De aanpak werkte zonder enige noodzaak voor basisberekeningen van wrijvingskrachten, en zonder de eigenschappen van de materialen zelf te veranderen. “Meer nog, we hebben contacten voorbereid met twee verschillende wrijvingscoëfficiënten, die afhankelijk zijn van het compressieniveau dat op het grensvlak wordt toegepast – een gedrag dat in de natuur zeer zeldzaam is”, voegt Scheibert toe.
Wrijving doet het zware werk in touwen en garens
Met deze snelle en betaalbare aanpak kon het team van Scheibert in hun experimenten een verscheidenheid aan bekende wrijvingswetten reproduceren: inclusief lineaire wetten, waarbij de wrijvingscoëfficiënt constant blijft naarmate de schuifkrachten over het grensvlak toenemen; en complexere niet-lineaire wetten, waarbij deze coëfficiënt varieert met de schuifkracht.
Naarmate ze hun techniek verder verbeteren, voorzien de onderzoekers een breed scala aan toepassingen voor hun verstelbare metasurface-benadering. “Het creëren van contactinterfaces die overeenkomen met een gespecificeerd wrijvingsgedrag is de heilige graal in de tribologie”, zegt Scheibert.
“Onze ontwerpstrategie biedt nieuwe hulpmiddelen voor het voorbereiden van dergelijke wrijvingsinterfaces. Dit zou potentieel kansen kunnen bieden op verschillende uitdagende terreinen, van sport tot zachte robotica. Als onze meta-interfaces verder worden uitgerust met sensoren en actuatoren, houden ze zelfs de belofte in van slimme contactinterfaces met realtime wrijvingsafstemming.”
Het onderzoek is beschreven in Wetenschap.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/
