Nanoattrito balistico

Lo studio dell'attrito è di grande interesse per ragioni sia scientifiche che tecnologiche; ancora oggi, cinque secoli dopo Leonardo da Vinci, si cerca di capire la fisica da cui origina, e in particolare si cercano nuove spiegazioni che includano i nanosistemi. In quell'area, un'indagine finora trascurata è quella dell'attrito ad alte velocità; i più fondamentali studi tribologici e di nanoattrito si concentrano su velocità estremamente basse. Invece, esistono situazioni nelle quali può rivelarsi importante conoscere cosa succede nel dettaglio, ad esempio quando una molecola adsorbita o un cluster slittano su una superficie solida a centinaia di metri al secondo. Attraverso uno studio simulativo di "dinamica molecolare" i ricercatori del CNR hanno cominciato a rivelare i meccanismi fondamentali che governano le dinamiche di attrito di nano-oggetti che slittano velocemente su superfici cristalline. Il sistema scelto per l'originale studio è una nano-particella di oro su grafite. È noto infatti che piccoli cluster di oro diffondono termicamente quando sono depositati sulle "scivolose" superfici di grafite. Simulando il moto di cluster di oro su grafite, sia che diffondono e slittano lentamente, che mossi velocemente a seguito di "calci" iniziali, lo studio dimostra analogie e differenze tra lo slittamento a bassa velocità, il quale è diffusivo e da tempo conosciuto, e quello ad alte velocità fin qui inesplorato. Ad alte velocità emerge un nuovo regime di attrito, qui nominato "balistico". La diminuzione della velocità del cluster appare come il risultato di ripetute collisioni con le eccitazioni termiche della superficie; come risultato l'attrito balistico cresce con la temperatura, diversamente dall'attrito diffusivo standard il quale è ben noto decrescere. Inoltre, l'interazione tra rotazione e traslazione è completamente opposta nell'attrito a basse velocità, dove le due lavorano in fase, e nell'attrito balistico dove invece sono fuori fase, e l'energia cinetica oscilla continuamente tra il modo traslazionale e quello rotazionale. Si identifica quindi un ampio regime di transizione con velocità intermedie tra attrito diffusivo e balistico. Infine, e forse sorprendentemente in vista dei loro diversi meccanismi, la forza di attrito balistica cresce all'incirca linearmente con la velocità, similarmente all'attrito viscoso a basse velocità. Mentre questi risultati evidenziano squisitamente gli aspetti della fisica dell'attrito ad alte velocità, il concetto dell'attrito balistico potrebbe diventare rilevante per future applicazioni in nanosistemi come ad esempio sistemi nanomeccanici e nanomotori, così come per altri problemi che riguardano collisioni di gas ad alta velocità con superfici solide.

Authors: R. Guerra, U. Tartaglino, A. Vanossi, E. Tosatti

Title: Ballistic nanofriction

Journal: Nature Materials, 9, 634 (2010)

Year: 2010

References: Highlighted by A. Schirmeisen in 'News & Views' of Nature Materials, Nature Materials, 9, 615 (2010)