Je leest:

Nanowrijving en macrowrijving: de kloof overbrugd

Nanowrijving en macrowrijving: de kloof overbrugd

Auteur: | 13 juli 2008

Je hebt wrijving en wrijving. De eerste wrijving is de remmende kracht die we allemaal kennen, bijvoorbeeld bij het vooruitschuiven van een stoel. De tweede wrijving is eigenlijk hetzelfde, maar dan op atoomschaal. Die wordt bestudeerd door natuurkundigen als promovenda Ewa Tocha, met een Atomic Force Microscope, een minuscule naald of ‘tip’, die een oppervlak kan aftasten en de krachten op atoomschaal detecteert. ‘Nanotribologie’, heet het nieuwe vakgebied van de wrijving op atoomschaal.

Nanowrijving lijkt helemaal niet op wrijving op macroschaal. Die laatste is bijvoorbeeld onafhankelijk van de grootte van het oppervlak waar de vlakken langs elkaar schuiven, en ook van de snelheid. Maar op de schaal van atomen is de wrijvingskracht juist evenredig aan het oppervlak, en afhankelijk van de snelheid. Toch is de kracht op macroschaal een direct gevolg van de krachten tussen de atomen.

dr. Ewa Tocha Foto: Ivar Pel

“Om beide beelden met elkaar in overeenstemming te brengen, moet je een enorm verschil in lengteen tijdschalen overbruggen”, zegt Tocha, die de AFM verder ontwikkelde om precies dat te doen.

Eigenlijk rolde ze er per toeval in. De onderzoekster, oorspronkelijk afkomstig uit Polen, studeerde op een uitwisselingsbeurs aan de Universiteit Twente. Haar afstudeerdocent stelde voor om een promotieproject te doen. Tocha: “Er waren twee projecten, waarvan er een met AFM te maken had. Die laatste heb ik gekozen, AFM was helemaal nieuw voor mij, ik vond het leuk om mee te spelen, maar begreep er weinig van.”

Pickup-naald

Een Atomic Force Microscope (AFM) is een soort hypergevoelige een pickup-naald. Terwijl de naald over een te bestuderen oppervlak schuift, wordt hij omhoog en opzij geduwd door de oneffenheden in dat oppervlak. Een nauwkeurig ingestelde laserbundel spiegelt op de bovenkant van de staaf- of v-vormige houder waar de naald aan vast zit. Iedere oneffenheid op het oppervlak vertaalt zich zo in een kleine verschuiving van het gespiegelde lichtbundeltje, een beetje zoals de weerspiegeling van de zon op de muur via je polshorloge, verspringt zogauw je je pols beweegt.

Foto: Ivar Pel

Maar hoewel AFM schitterende plaatjes van oppervlakken oplevert, waren ze tot voor kort minder geschikt voor kwantitatieve metingen. “Ze waren gewoon niet erg precies te kalibreren”, zegt Tocha. “Je berekent hoe sterk de naald doorbuigt onder invloed van een kracht, aan de hand van eigenschappen als de dikte van de naaldhouder. Maar in die dikte zitten al onzekerheden van 10 tot 15 procent, en ook de eigenschappen van het materiaal zijn niet goed te kennen. Uiteindelijk leiden alle onzekerheden tot een meetfout van bijna 100 procent in de wrijvingskracht,” Ofwel: na de best mogelijke kalibratie zitten de gemeten waarden er nog gemakkelijk een factor twee naast.

Grote uitdaging

Tocha testte een nieuwe ijkmethode, waarbij geen berekeningen te pas kwamen. De tip wordt vóór de echte metingen in twee richtingen over een schuine helling bewogen: omhoog en omlaag. Behalve een wrijvingskracht ondervindt de naald dan ook een koppel, een draaiende kracht, afhankelijk van de hellingshoek. “Door metingen in beide richtingen te combineren, vallen de wrijvingskrachten van de helling tegen elkaar weg, omdat ze op de heen- en de terugweg hetzelfde zijn. De eigenschappen van de naaldhouder zijn beter te bepalen, en er is een meetprecisie van de vijf procent te halen”, liet Tocha zien.

Een tweede stap bij het overbruggen van de kloof tussen macro- en microwrijving is het opvoeren van de snelheid. “Dat was de andere grote uitdaging”, zegt Tocha. “Een AFM heeft een tipsnelheid van micrometers per seconde. Dat is tot een miljoen maal lager dan snelheden bij wrijving in de wereld om ons heen.”

Foto: Ivar Pel

Ook hier was de oplossing uiteindelijk in wezen eenvoudig, hoewel dit Tocha veel werk kostte. In een normale AFM wordt de tastende tip over het monster geschoven met hulp van zogeheten piëzo-elektrische kristallen. Dat zijn materialen die uitzetten onder invloed van elektrische spanning. Omdat de mate van uitzetting elektronisch heel precies te bepalen is, is de plaats van de naald ook precies te bepalen.

Tocha besloot de uitzettende en krimpende piëzokristallen ook te gebruiken om de ondergrond waar het monster op ligt te bewegen, maar dan met veel met hogere snelheden. In de praktijk komt dat neer op een soort onderzettafeltje voor toepassing in een commerciële AFM, waarop de kristallen heen en weer trillen, met snelheden van één tot tien miljoenen trillingen per seconde.

Tocha: “Een probleem was dat de kristallen daarbij heet dreigen te worden, terwijl ze hun piëzo-elektrische eigenschappen verliezen boven zo’n 80 graden.” Maar met een speciale manier van aansturen, waarbij er bijna geen stroom door de kristallen loopt, bleek dat effect uiteindelijk te beperken.

Plastic

De zo verwerkelijkte meettechniek paste Tocha toe op verschillende typen oppervlakken, waaronder zirconium en PMMA, een type polymeer, ofwel plastic. Door de nanowrijving te meten over het hele bereik van snelheden, met verschillende tipgroottes, wist Tocha een complete ‘meesterkromme’ te destilleren, die het bereik in snelheden van nano- naar macrowrijving overspande. “Veel werk? Jazeker”, zegt Tocha, “maar het is echt een nieuw type meting, en een van de eerste metingen die de kloof tussen macroscopische en microscopische wrijving overbrugt.”

Duidelijk te zien is dat de sliertvormige polymeermoleculen aan het oppervlak meer bewegingsvrijheid dan moleculen binnenin het plastic. “Dat betekent dat het buitenste laagje plastic een heel klein beetje vloeibaar is”, zegt Tocha. Zo werpt wrijving ook licht op de moleculaire processen aan het oppervlak een stof, in plaats van alleen andersom.

Op weg naar het overbruggen van de kloof tussen macro- en nanowrijving is het maar een stap, zegt Tocha. “Het idee was om een kwantitatief apparaat voor nanotribologie te ontwikkelen, en te testen, en dat is helemaal gelukt.”

Inmiddels werkt Ewa Tocha bij Dow Olefinverbund GmbH te Merseburg/Schkopau (Duitsland).

De artikelen in de brochure Technologisch Toptalent 2007 werden geschreven door wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg.

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 juli 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.