Onderzoekers hebben een methode bedacht om elektronische wrijving te manipuleren – een aanhoudende kracht in materialen, zelfs op perfect gladde oppervlakken – wat mogelijk de weg vrijmaakt voor efficiëntere en duurzamere technologieën. Terwijl traditionele wrijving wordt aangepakt met smeermiddelen en oppervlaktetechniek, komt deze nieuw beheersbare kracht voort uit interacties tussen elektronen in de materialen zelf.
Het probleem met ‘onzichtbare’ wrijving
Wrijving is een fundamentele tegenwerkende kracht, essentieel voor alledaagse handelingen zoals lopen of een lucifer slaan. In machines is het een belangrijke bron van energieverlies en slijtage. Conventionele benaderingen zijn gericht op het minimaliseren van mechanische wrijving, maar zelfs met een perfecte gladheid van het oppervlak blijft elektronische wrijving bestaan. Dit gebeurt omdat elektronen in materialen op elkaar inwerken terwijl ze bewegen, waardoor energie wordt gedissipeerd, ongeacht de smering. De uitdaging is dat deze ‘verborgen’ wrijving blijft bestaan, zelfs als de mechanische wrijving verwaarloosbaar is.
Nieuw apparaat maakt elektronische wrijvingscontrole mogelijk
Een team onder leiding van Zhiping Xu van de Tsinghua Universiteit in China heeft een apparaat gebouwd met behulp van grafiet en een halfgeleider (molybdeen/zwavel of boor/stikstof). Deze materialen zijn van nature goede vaste smeermiddelen, wat betekent dat er vrijwel geen mechanische wrijving tussen de materialen bestaat. Met deze opstelling konden de onderzoekers elektronische wrijving isoleren en bestuderen. Ze ontdekten dat zelfs bij perfect mechanisch glijden de beweging elektronen in beweging brengt, waardoor energieverlies ontstaat.
Twee methoden om de kracht te beheersen
Het team demonstreerde twee manieren om deze elektronische wrijving te manipuleren:
- Druk uitoefenen: Dit dwingt elektronen tussen de lagen om toestanden te delen, waardoor energetisch kostbare interacties worden verminderd.
- Het toepassen van een “voorspanning”: Deze regelt hoeveel de elektronenzee wordt verstoord, waardoor het wrijvingsniveau effectief wordt gecontroleerd.
Ze hebben de bediening verder verfijnd door de spanning over verschillende delen van het apparaat te veranderen, waardoor verfijnde aanpassingen mogelijk zijn in plaats van alleen een aan/uit-schakelaar.
Waarom dit belangrijk is
De eerste waarneming van elektronische wrijving dateert uit 1998, toen onderzoekers het verdwijnen ervan in supergeleiders bij extreem lage temperaturen opmerkten. Sindsdien heeft het veld gezocht naar manieren om dit onder controle te krijgen zonder materiaalvervanging of extra smeermiddelen. Het uiteindelijke doel is volgens Jacqueline Krim van de North Carolina State University realtime controle op afstand van wrijving, zoals het op verzoek aanpassen van de schoengrip.
Toekomstige implicaties
Hoewel een alomvattend wiskundig model dat alle soorten wrijving met elkaar verbindt nog in ontwikkeling is, gelooft Xu dat deze bevindingen veelbelovend zijn voor toepassingen waarbij elektronische wrijving energieverspilling of slijtage domineert. Dit onderzoek zou uiteindelijk kunnen leiden tot apparaten met een aanzienlijk langere levensduur en een lager energieverbruik door een voorheen oncontroleerbare bron van inefficiëntie aan te pakken.
Het vermogen om elektronische wrijving te manipuleren vertegenwoordigt een substantiële stap in de richting van efficiëntere technologieën, die mogelijk een impact hebben op industrieën, van productie tot consumentenelektronica.
