این مطالعه جنبههای نانو و ماکرو نیروی روزمره را به هم پیوند میدهد
بدون نیرویی به نام اصطکاک، ماشینها از جاده منحرف میشوند، انسانها نمیتوانند در پیادهرو قدم بزنند و اشیاء از روی پیشخوان آشپزخانه شما به زمین میافتند.
با این حال، چگونگی عملکرد اصطکاک در مقیاس مولکولی هنوز به خوبی درک نشده است.
با استفاده از مدلسازی پیچیده و شبیهسازیهای کامپیوتری، تیمی به رهبری یک محقق فوق دکترا در دانشکده مهندسی جانز هاپکینز وایتینگ و دانشکده هنر و علوم کریگر، اصطکاک را در مقیاس مولکولی و ماکروسکوپی مطالعه کردند.
نتایج مطالعه این تیم که در ACS Nano منتشر شده است، نه تنها به طور کلی اصطکاک را روشن میکند، بلکه میتواند به طراحی دستگاههای پروتز بهبود یافته و مفاصل مصنوعی نیز کمک کند.
لوکاس فررو، که اکنون دانشجوی پسادکتری در موسسه میکروسیستمتکنیک دانشگاه آلبرت لودویگ است، گفت: «اصطکاک گیجکننده است زیرا توسط یک برهمکنش واحد، مانند جاذبه بین بارها، کنترل نمیشود؛ بلکه از ترکیبی از فرآیندهایی که میتوانند در مقیاسهای مختلف رخ دهند، پدیدار میشود. در کار ما، سعی کردیم جهانهای نانو و ماکرو را برای یک ویژگی خاص اصطکاک به نام پیری پیوند دهیم، که زمانی است که یک جامد برای مدت طولانی بدون لغزش روی جامد دیگر قرار میگیرد، نیروی لازم برای جدا کردن آنها افزایش مییابد. ما میخواستیم دلیل آن را بفهمیم.»
اعضای تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه تریبولوژی و دینامیک سیستمها در مدرسه مرکزی لیون در فرانسه، پیش از این آزمایشهایی انجام داده بودند که تصویر بسیار دقیقی از پاسخ اصطکاک سطوح پوشیده شده با اسیدهای چرب، یک خانواده روانکننده سازگار با محیط زیست، ارائه میدادند، اما این آزمایشها به تنهایی نمیتوانستند پدیده پیری را توضیح دهند.
با استفاده از اندازهگیریهای زبری سطح و خواص لایه تک مولکولی ضخیم مولکولهای اسید چرب، تیم جانز هاپکینز توانست فرآیند پیری را در یک شبیهسازی مولکولی بازتولید کند.
جعفر العوادی، استاد مهندسی مکانیک در مدرسه وایتینگ و عضو تیم، گفت: “شبیهسازی ما به ما این امکان را داد که در آزمایشها چیزهای غیرممکن را امتحان کنیم، مانند اینکه اگر سطوح در تماس از نظر ریاضی صاف باشند چه اتفاقی میافتد.”
آنها دریافتند که علت اصلی پیری، زبری سطح است. در واقع، به گفته فررو، مدلهای بدون زبری اصلاً پیر نشدند.
او گفت: «این موضوع تعجبآور بود زیرا زبری سطحی که توسط تیم در لیون اندازهگیری شد، بسیار کوچک بود؛ بلندترین کوه و عمیقترین دره سطح، تقریباً به طول یک مولکول اسید چرب از هم جدا میشدند.»
این تیم به این نتیجه رسید که حتی چنین مقدار کمی زبری برای جلوگیری از تماس مولکولها در کل سطح کافی است و مولکولهای لبههای نقاط تماس را آزاد میگذارد تا حرکت کنند. با گذشت زمان، مولکولهای بیشتری با هم تماس پیدا میکنند و منجر به پیری میشوند.
اگرچه مکانیسم کشف شده تنها مکانیسمی نیست که میتواند توضیح دهد که چرا سیستمهای اصطکاکی پیر میشوند، اما این تیم معتقد است که میتوان آن را در طیف وسیعی از سیستمهایی که در آنها مولکولهای زنجیرهای مانند اسیدهای چرب مورد مطالعه، یک لایه محافظ روی سطح تشکیل میدهند، اعمال کرد.
فروت گفت: «این مورد در سیستمهای بیولوژیکی مانند مفاصل صادق است و اگر این سیستمها را بهتر درک کنیم، میتوانیم پروتزهای بهتر و بادوامتری طراحی کنیم. به طور کلیتر، درک فیزیک پشت اصطکاک در طراحی سیستمهای پایدار مهم است. برخی مطالعات تخمین میزنند که حدود ۲۳٪ از مصرف انرژی جهان به دلیل اصطکاک از بین میرود.»
اعضای تیم تحقیقاتی خاطرنشان میکنند که طراحی شبیهسازیهای مورد استفاده در این مطالعه در ابتدا توسط مارک او. رابینز، همکار سابق در بخش فیزیک و نجوم جانز هاپکینز که در سال ۲۰۲۰ درگذشت، پیشبینی شده بود.
العوضی گفت: «من و لوکاس سپس به همراه همکارانمان به پیشبرد شبیهسازیها ادامه دادیم تا با موفقیت به اهداف خود برسیم و آن را به یاد مارک تقدیم کنیم.»
لینک مفید:نانوفناوری مبتنی بر نور، جایگزین بالقوهای برای شیمیدرمانی و پرتودرمانی ارائه میدهد
بیشتر بدانید:درمان سرطان با فناوری نانو RNA برای برنامهریزی سلولهای زنده
بیشتر بخوانید:نانوموتورها به عنوان کاوشگرهایی برای حس کردن محیط سرطان
تاریخ:1405/4/17
مهسا نعمتی
