Come nasce l'attrito alla scala atomica

Comprendere i meccanismi microscopici che governano l'attrito rappresenta un problema scientifico fondamentale con importanti applicazioni pratiche. Ad esempio in alcuni sistemi micro-elettro-meccanici (MEMS) l'attrito e l'usura su aree di contatto molto piccole possono causare la rottura del dispositivo. Se le leggi macroscopiche dell'attrito sono note da secoli, la loro origine microscopica è ancora oggetto di ricerca. Le leggi di Amontons, formulate alla fine del XVII secolo, affermano che due corpi in contatto sottoposti ad una forza normale cominciano a scivolare quando la forza laterale supera la forza di attrito statico. Un corpo che scivola è invece sottoposto ad una forza di attrito dinamico che in genere è minore di quella statica. Queste leggi non sono completamente vere perché anche per forze minori dell'attrito statico spesso i corpi possono muoversi lentamente per effetto dell'attivazione termica. Visualizzando la superficie di contatto si possono osservare dei fronti che cominciano a separare le superfici prima che il corpo cominci a muoversi. Questa scoperta suggerisce che l'attrito è dovuto a processi microscopici che interessano gli atomi sulla superficie di contatto e che si propagano poi a grande scala per portare allo scivolamento complessivo del corpo. Per studiare l'attrito alla scala atomica, abbiamo eseguito delle simulazioni numeriche dello scorrimento di un monostrato di xenon (Xe) su di una superficie di rame (Cu). In questo sistema ogni atomo di xenon cade in un minimo del potenziale indotto dagli atomi di rame, formando un'interfaccia perfetta che massimizza l'attrito. Studiando il moto termicamente attivato sotto una forza laterale esterna, abbiamo osservato che il monostrato di xenon si sposta creando ed espandendo delle "bolle" sulla superficie, un processo simile alla nucleazione nelle transizioni di fase del primo ordine (ad esempio liquido-gas). Per comprendere questi risultati abbiamo usato la teoria classica della nucleazione per calcolare analiticamente l'energia di attivazione che è risultato in ottimo accordo con i risultati numerici. I nostri risultati sono utili per comprendere gli esperimenti di scorrimento di monostrati con implicazioni per l'attrito in generale.

Autori: M. Reguzzoni, M. Ferrario, S. Zapperi, M.C. Righi

Titolo: Onset of frictional slip by domain nucleation in adsorbed monolayers

Rivista: PNAS

Anno: 2010

Riferimenti bibliografici: 107 (2010) pp. 1311-1316