研究人员在原子水平上开发了一个摩擦界面 2017-07-07 12:11:06

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蓝色波纹表面代表光学晶格;红球代表离子;它们之间的弹簧代表离子之间的库仑力通过调整上方离子晶体表面的间距使底部波纹表面不匹配,摩擦消失离子沿着表面平滑地滑动,像毛虫一样运动这一发现有助于开发纳米​​机器,建造来自麻省理工学院的科学家在原子水平上开发出摩擦界面新技术调整了两个表面之间的摩擦力,摩擦力可以消失,摩擦力在我们身边,对抗轮胎在路面上的运动,纸笔划过纸,甚至是蛋白质流经血液每当两个表面接触时,就会产生摩擦,除非在非常特殊的情况下,摩擦基本上消失了 - 这种现象被称为“超润滑”,其表面只是在没有阻力的情况下相互滑动现在,麻省理工学院的物理学家已经开发了一种实验技术来模拟纳米级的后期摩擦使用他们的技术,研究人员能够直接观察两个表面界面上的单个原子并操纵它们的排列,调整表面之间的摩擦量通过改变一个表面上的原子间距,他们观察到摩擦消失的点摩尔顿Volletic,麻省理工学院Lester Wolfe物理学教授说,调整摩擦的能力将有助于开发纳米​​机器 - 由单分子大小的组件构建的微型机器人Vuletic说在纳米尺度上,摩擦可能是精确的更大的力量 - 例如,在微型电机上产生磨损的速度比在较大尺度下产生的要快得多“有很大的努力来理解摩擦并控制它,因为它是纳米机器的限制因素之一,但进展相对较小实际控制任何规模的摩擦,“Vuletic说”我们的系统中的新功能是第一次出现在t上原子尺度,我们可以看到从摩擦到超润滑的过渡“Vuletic,以及研究生Alexei Bylinskii和Dorian Gangloff,在科学杂志上发表他们的结果了解麻省理工学院物理学家为模拟纳米尺度摩擦而开发的技术视频:Melanie Gonick / MIT(使用来自Alexei Bylinkskii的计算机模拟)摩擦力和力场该团队通过首先设计两个接触表面来模拟纳米尺度的摩擦:光学晶格和离子晶体使用两个激光束传播产生光学晶格在相反的方向上,其字段相加以在一个维度上形成正弦周期图案

这种所谓的光学晶格类似于蛋盒,其中每个峰代表最大电势,而每个波谷代表最小值当原子穿过这样的时候

一个电场,他们被吸引到最小潜力的地方 - 在这种情况下,低谷Vuletic然后工程第二个表面:一个离子晶体 - 基本上是一个带电原子的网格 - 为了研究摩擦效应,原子逐个原子产生离子晶体,该组用光来电离或充电,中性镱原子从一个小的加热炉,然后用更多的激光将它们冷却到恰好高于绝对零度

然后可以使用施加到附近金属表面的电压捕获带电原子

一旦带正电,每个原子通过所谓的“库仑力”相互排斥

排斥有效地保持原子分开,使它们形成晶体或晶格状表面然后团队使用相同的力来捕获原子以推动和拉动离子晶体穿过晶格,以及拉伸和挤压离子晶体,很像手风琴,改变原子之间的间距地震和毛毛虫一般来说,研究人员发现当离子晶体中的原子有规律地间隔时,间隔为t匹配光学晶格的间距,两个表面经历了最大的摩擦,很像两个互补的乐高积木 研究小组观察到,当原子间隔开以使每个原子占据光学晶格中的一个槽时,当整个离子晶体被拖过光学晶格时,原子首先倾向于粘在晶格的槽中,由于它们偏向于较低的电位,以及保持原子分开的库仑力如果施加足够的力,离子晶体突然滑动,原子一起跳到下一个槽“这就像地震一样,”Vuletic说“有力建立,然后突然发生灾难性的能量释放“该组继续拉伸和挤压离子晶体来操纵原子的排列,并发现如果原子间距与光学晶格的不匹配,两者之间的摩擦力表面消失在这种情况下,晶体往往不会粘住然后突然滑动,而是流动地穿过光学晶格,就像毛毛虫在地面上微动F一样或者说,在一些原子处于低谷而其他原子处于峰值处的排列中,还有一些原子介于两者之间,当离子晶体被拉过光学晶格时,一个原子可能会向下滑动一个峰值,释放出一点点压力,使第二个原子更容易从槽中爬出 - 这又会拉动第三个原子,依此类推“我们能做的是随意调整原子之间的距离,使其与光学相匹配最大摩擦的格子,或没有摩擦的不匹配,“Vuletic说,该组的技术不仅可用于实现纳米机器,还可用于控制蛋白质,分子和其他生物成分”在生物领域,有各种各样的由于摩擦或缺乏摩擦,分子和原子彼此接触,像生物分子马达一样滑动,“Gangloff说”所以这种直觉如何排列原子以最小化或最大化fri可以应用“德国弗莱堡大学物理学教授Tobias Schaetz认为这一结果是”明显的突破“,可以深入了解”其他难以接近的基础物理学“

他说,该技术可能适用于从纳米尺度到宏观尺度的区域数量“他们的新方法的应用和相关影响推动了各种各样的研究领域,研究从筏构造到生物系统和运动蛋白的相关效应,”Schaetz说,他没有参与研究“想象一下纳米机器我们可以控制摩擦力以增强牵引力,或减轻需求的阻力”这项工作部分由美国国家科学基金会和加拿大国家科学与工程研究委员会出版:Alexei Bylinskii,等,“在离子晶体模拟器中调整原子摩擦原子”,Science 5 June 2015:Vol 348 no 6239 pp 1115-1118; DOI:101126 / science1261422来源:Jennifer Chu,麻省理工学院新闻图片:Christine Daniloff /麻省理工学院和Alexei Bylinkskii