Aantal atomen dat contact maakt bepaalt wrijving tussen twee oppervlakken

Met een computermodel hebben Amerikaanse natuurkundigen laten zien dat wrijving tussen twee oppervlakken op atomaire schaal afhangt van het aantal atomen dat elkaar raakt. Dat lijkt triviaal, maar met deze waarneming kunnen allerlei eerdere experimenten worden verklaard. Een beter begrip van wrijving op atomaire schaal is van groot belang voor een juist ontwerp van allerlei nanomachines, die bewegen onder invloed van licht of van een elektrische stroom (Nature, 26 februari).

Wie een liggend voorwerp in beweging wil brengen, moet een wrijvingskracht overwinnen die evenredig is met de kracht die dat voorwerp op de ondergrond uitoefent. Deze wet is eind zeventiende eeuw geformuleerd door de Franse natuurkundige Guillaume Amontons. Hij ontdekte ook dat wrijving niet afhangt van de grootte van het oppervlak waarmee het voorwerp op de ondergrond rust. Dit komt doordat op het oog gladde oppervlakken op microschaal helemaal niet vlak zijn, maar uitsteeksels vertonen. Deze haken aan weerszijden in elkaar en bieden zo weerstand. Naarmate de kracht die de twee oppervlakken op elkaar drukt groter is, nemen de onderlinge interacties toe en daarmee de wrijving. Op grote schaal – tot een duizendste millimeter – mag wrijving een goed begrepen verschijnsel zijn, op een schaal van nanometers en kleiner buitelen natuurkundigen met theorieën en experimenten over elkaar heen.

Izabela Szlufarska en haar collega’s van de universiteit van Wisconsin simuleerden nu de wrijving tussen het uiteinde van een naald gemaakt van amorf koolstof en een diamantoppervlak. Daarbij werden verschillende krachten tussen enkele miljarden atomen in rekening gebracht en werd het effect ervan op verschillende afstanden berekend. Voordeel van dit soort modelberekeningen is dat de verschillende krachten die een rol kunnen spelen – zoals Van der Waals krachten tussen atomen of adhesiekrachten – naar believen aan- of uitgezet kunnen worden. Zo wordt het mogelijk effecten los van elkaar te bestuderen. Tot verrassing van de auteurs bleek wrijving op nanoschaal simpelweg evenredig te zijn met het aantal atomen dat met elkaar in contact kwam. Uitgaande van die observatie konden zij tegenstrijdige resultaten van andere groepen verklaren.

Rob van den Berg