Τριβή χωρίς επαφή των σωμάτων

Από την ιστοσελίδα του Physics News Update, Σεπτέμβριος 2003

Τριβή χωρίς επαφή των σωμάτων, όχι μόνον υπάρχει αλλά μπορεί να ενισχυθεί με τεχνητό τρόπο.

Συνήθως για δύο σώματα που βρίσκονται σε σχετική κίνηση το ένα ως προς το άλλο, προκειμένου να αναπτυχθεί δύναμη τριβής μεταξύ τους, πρέπει τα άτομα των επιφανειών τους να βρίσκονται σε επαφή. Υπάρχει όμως και ένα είδος τριβής, που μπορεί να δράσει μεταξύ των επιφανειών, χωρίς αυτές να βρίσκονται στην πραγματικότητα σε επαφή. Αυτή η μικρή ομολογουμένως τριβή οφείλεται σε δυνάμεις van der Waals. Οι δυνάμεις αυτές είναι συνηθισμένες μεν αλλά ασθενείς και αναπτύσσονται όταν ένα άτομο ή μόριο αναπτύσσει αυθόρμητα μια διπολική ροπή. 

Αυτό σημαίνει ότι αν και το άτομο ή μόριο είναι συνολικά ουδέτερο, μπορεί να σχηματιστεί εντός αυτού μια μικρή περιοχή του με αρνητικό φορτίο διαχωρισμένη ελαφρά στο χώρο από μια αντίστοιχη περιοχή θετικού φορτίου. Η εμφάνιση των περιοχών αυτών μπορεί να οφείλεται στην τυχαία θερμική κίνηση των ηλεκτρονίων και των ιόντων. Μπορεί επίσης να οφείλεται στην κβαντική διακύμανση όπως λέγεται. Δηλαδή στο γεγονός ότι σύμφωνα με την κβαντομηχανική οι θέσεις των σωματιδίων έχουν μια απροσδιοριστία απόλυτα συνδεδεμένη με την κβαντική πραγματικότητα. Αυτή η βραχύβια πολικότητα μπορεί να επάγει μια διπολική ροπή και σε ένα διπλανό άτομο ή μόριο, που βρίσκεται σε κάποια κοντινή απόσταση. 

Μια καινούργια μελέτη αυτών των δυνάμεων τριβής λόγω των δυνάμεων van der Waals, που έγινε από τους Alexander Volotkin και Bo Persson στο Ινστιτούτο μελέτης στερεών σωμάτων στο Julich της Γερμανίας, εξηγεί τα πρόσφατα αποτελέσματα πειραμάτων τριβής που έγιναν με αισθητήρες STM. Η θεωρία προβλέπει ότι οι δυνάμεις τριβής van der Waals μπορούν να ενισχυθούν σημαντικά (μέχρι ένα παράγοντα δέκα εκατομμυρίων σε μια απόσταση 10 angstroms σε σύγκριση με την περίπτωση σωμάτων σε επαφή με καθαρές επιφάνειες). 

Η ενίσχυση αυτή επιτυγχάνεται με απορρόφηση ορισμένων μορίων στη μία ή και στις δύο από τις επιφάνειες. Αυτό ενισχύει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη συντονισμού (η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως φαινόμενο σήραγγας με φωτόνια) μεταξύ των δύο σωμάτων, ιδιαίτερα μάλιστα αν είναι από το ίδιο υλικό. Τα άτομα που έχουν απορροφηθεί μπορούν να θεωρηθούν ως μικροσκοπικές κεραίες, εκ των οποίων η μια δρα ως πομπός και η άλλη ως δέκτης. Όταν οι δύο κεραίες συντονιστούν, η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ τους θα ενισχυθεί κατά πολύ. 

Μια πληρέστερη κατανόηση σε θεμελιώδες επίπεδο, αυτού του τύπου τριβής χωρίς να υπάρχει επαφή, θα βοηθήσει τους φυσικούς να μελετήσουν τη συμπεριφορά των ατόμων στις επιφάνειες και στο επίπεδο των εφαρμογών να σχεδιάσουν "φρένα" για μικρομηχανές, όπου δεν χρειάζεται μεγάλη τριβή.

Αναφορά:
(Volokitin and Persson, Physical Review Letters, 5 Σεπτεμβρίου 2003)