این مطالعه جنبههای نانو و ماکرو نیروی روزمره را به هم پیوند میدهد
اصطکاک در مقیاس مولکولی نقش مهمی در درک عملکرد اصطکاک در زندگی روزمره دارد. بدون نیرویی به نام اصطکاک، ماشینها از جاده منحرف میشوند. انسانها نیز نمیتوانند در پیادهرو قدم بزنند. همچنین، اشیا از روی پیشخوان آشپزخانه 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 در ACS Nano منتشر شده است. این نتایج نهتنها به درک بهتر اصطکاک کمک میکند، بلکه میتواند به طراحی دستگاههای پروتز بهبودیافته و مفاصل مصنوعی نیز کمک کند.
لوکاس فررو، که اکنون دانشجوی پسادکتری در مؤسسه 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 پدیدار میشود که میتوانند در مقیاسهای مختلف رخ دهند.
در کار ما، سعی کردیم جهانهای نانو و ماکرو را برای یک ویژگی خاص اصطکاک به نام پیری به هم پیوند دهیم. پیری زمانی رخ میدهد که یک جامد برای مدت طولانی، بدون لغزش، روی جامد دیگری قرار میگیرد. در این حالت، نیروی لازم برای جدا کردن آنها افزایش مییابد. ما میخواستیم دلیل این پدیده را بفهمیم.»
اعضای تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه تریبولوژی و دینامیک سیستمها در مدرسه مرکزی لیون در فرانسه، پیش از این آزمایشهایی انجام داده بودند. این آزمایشها تصویر بسیار دقیقی از پاسخ اصطکاک سطوح پوشیدهشده با اسیدهای چرب ارائه میدادند. اسیدهای چرب خانوادهای از روانکنندههای سازگار با محیط زیست هستند. با این حال، این آزمایشها بهتنهایی نمیتوانستند پدیده پیری را توضیح دهند.
با استفاده از اندازهگیریهای زبری سطح و خواص لایه تکمولکولی 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 این امکان را فراهم کرد تا در آزمایشها چیزهای غیرممکن را بررسی کنیم. برای مثال، میتوانستیم بررسی کنیم که 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 اندازه طول یک مولکول اسید چرب از یکدیگر فاصله داشتند.»
این تیم به این نتیجه رسید که حتی چنین مقدار کمی زبری برای جلوگیری از تماس مولکولها در کل سطح کافی است. این زبری همچنین مولکولهای لبههای نقاط تماس را آزاد میگذارد تا حرکت کنند.
با گذشت زمان، مولکولهای بیشتری با یکدیگر تماس پیدا میکنند. این فرآیند منجر به پیری میشود.
اگرچه مکانیسم کشفشده تنها مکانیسمی نیست که میتواند توضیح دهد چرا سیستمهای اصطکاکی پیر میشوند، این تیم معتقد است که میتوان آن را در طیف وسیعی از سیستمها به کار برد. در این سیستمها، مولکولهای زنجیرهای، مانند اسیدهای چرب مورد مطالعه، یک لایه محافظ روی سطح تشکیل میدهند.
فروت گفت: «این مورد در سیستمهای بیولوژیکی مانند مفاصل نیز صادق است. اگر این سیستمها را بهتر درک کنیم، میتوانیم پروتزهای بهتر و بادوامتری طراحی کنیم.
به طور کلیتر، درک فیزیک پشت اصطکاک برای 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 پیشبینی شده بود. او همکار سابق در بخش فیزیک و نجوم جانز هاپکینز بود و در سال ۲۰۲۰ درگذشت.
العوادی گفت: «من و لوکاس، 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
