ENGINEERINGNET.BE - Wrijving is naar schatting verantwoordelijk voor ruim 20% van het mondiale energieverbruik.
Het beheersen van wrijving in machines is ook belangrijk voor het verminderen van materiaalslijtage en het vergroten van de precisie bij het positioneren.
De afgelopen jaren hebben nieuwe onderzoeksmethoden het mogelijk gemaakt om in te zoomen op wat er precies gebeurt wanneer twee oppervlakken contact maken en over elkaar heen glijden.
Op nanometer schaal zien oppervlakken eruit als bergachtige landschappen met grote pieken en dalen. Eerdere experimenten en numerieke simulaties hebben aangetoond dat wrijving op deze schaal grotendeels wordt bepaald door het vormen en breken van bindingen tussen oppervlakteatomen.
De wrijving wordt ook beïnvloed door de ruwheid van de rakende oppervlakken en de atomen of moleculen die op het grensvlak aanwezig zijn.
“We besloten deze nanowrijvings-mechanismen te testen op grotere, industrieel relevante schaalniveaus”, aldus promovendus Liang Peng van de Nederlandse Universiteit van Amsterdam.
Met behulp van een reometer bestudeerden de onderzoekers hoe de wrijving tussen een relatief ruwe silicium bol en een glad plaatje van silicium afhangt van de dichtheid van microscopisch kleine chemische bindingen op het grensvlak.
Na het verwijderen van verontreinigingen op de oppervlakken ontdekten ze dat er veel minder kracht nodig was om de bol over het plaatje te laten glijden naarmate de oppervlakken langer werden gedroogd in puur stikstofgas.
Langer drogen vermindert het aantal hydroxylgroepen (OH) aan het siliciumoppervlak dat beschikbaar is voor het vormen van chemische bindingen. Via deze groepen kunnen er silicium-zuurstof-siliciumbindingen (Si-O-Si) ontstaan tussen twee siliciumoppervlakken die in contact komen met elkaar.
Het onderzoek toont aan dat er een opvallend verband bestaat tussen de wrijvingskracht gemeten op grote schaal en de dichtheid van microscopische Si-OH-groepen die aanwezig zijn op de twee siliciumoppervlakken vóór contact.
Het aantal hydroxylgroepen bepaalt namelijk hoeveel Si-O-Si-bindingen er kunnen vormen wanneer er contact wordt gemaakt. De dichtheid van de Si-OH-groepen wordt geregeld door de tijdsduur in te stellen gedurende welke de gereinigde oppervlakken worden gedroogd.
Dit maakt het mogelijk om de wrijvingskracht tussen siliciumoppervlakken kwantitatief te voorspellen en te beheersen.
