ENGINEERINGNET.BE - Hoeveel wrijving er is tussen twee oppervlakken die elkaar raken, hangt af van allerlei randvoorwaarden in de omgeving, zoals temperatuur of vochtigheidsgraad, en in de oppervlakken zelf, bijvoorbeeld de chemische samenstelling of lading.
Dr. Bart Weber en zijn team bij ARCNL zijn met name geïnteresseerd in de ruwheid van het oppervlak, die bepaalt waar en in welke mate de oppervlakken elkaar echt raken.
“In samenwerking met de UvA en de Université Paris-Saclay, hebben we een unieke opstelling ontwikkeld die het mogelijk maakt om het contactoppervlak met behulp van fluorescentie-microscopie in beeld te brengen”, legt hij uit.
“We bevochtigen bolletjes van silicium-nitride met variërende oppervlakteruwheid met een fluorescente vloeistof, en drukken ze tegen een vlakke doorzichtige plaat zodat we de fluorescente moleculen in de vloeistof tussen de oppervlakken kunnen aanslaan en zien. Waar de oppervlakken elkaar raken is dan geen fluorescentie."
Webers promovendus Feng-Chun Hsia combineerde deze contactoppervlak-experimenten met wrijvingsmetingen aan dezelfde bolletjes met behulp van een rheometer, die wrijving meet door torsie toe te passen op de rakende oppervlakken.
Hij ontdekte dat de wrijvingscoëfficiënt significant toeneemt wanneer de oppervlakteruwheid wordt teruggebracht tot enkele nanometers.
“Door luchtvochtigheid zijn oppervlakken bedekt met waterlaagjes van een paar nanometer dik. Heel gladde oppervlakken hebben een groot gebied waar ze elkaar bijna raken. Als de ruimte ertussen even groot is als het laagje water, hebben de watermoleculen de neiging om de twee oppervlakken samen te trekken. Dit is hetzelfde als het capillaire effect van een druppel water die twee glasplaten in een conventionele microscoop samenzuigt”, aldus Weber.
Capillaire adhesie zorgt ervoor dat gladde oppervlakken samenplakken en meer wrijving ervaren. Het is de eerste keer dat dit effect experimenteel is vastgelegd. Weber: “Dit is van belang voor toepassingen in de precisie-positionering, zoals bij de productie van chips.”
Bij de illustratie boven: Een ruw oppervlak (lichtgrijs) dat op een heel glad oppervlak (donkergrijs) wordt gedrukt, met maar een paar punten van echt contact. Door de luchtvochtigheid zijn beide oppervlakken bedekt met een dun laagje water (blauw). In de gebieden waar de oppervlakken elkaar bijna raken is de ruwheidsschaal van dezelfde orde van grootte als de dikte van de waterlaag, en doet capillaire adhesie de wrijving tussen de oppervlakken toenemen.
