研究人员在原子水平开发了摩擦界面

蓝色波纹表面代表光学晶格;红球代表离子;它们之间的弹簧代表离子之间的库仑力。通过调谐上面的离子晶体表面的间距来失配底部波纹表面，摩擦消失。离子沿着毛毛虫样运动沿表面滑动。这一发现可以帮助开发纳米载体，从组件的单分子的大小构成。

来自麻省理工学院的科学家在原子水平开发了摩擦界面。新技术在两个表面之间调整摩擦，到摩擦可以消失的程度。

摩擦是我们周围的，在路面上的轮胎运动，横跨纸张的刮擦，甚至通过血液流动的蛋白质流动。每当两个表面接触时，就有摩擦，除了在摩擦基本上消失的非常特殊的情况下 - 一种被称为“超级润滑性”的现象，其中表面简单地彼此滑动而没有阻力。

现在麻省理工学院的物理学家已经开发了一种模拟纳米级摩擦的实验技术。使用它们的技术，研究人员能够直接在两个表面的界面处直接观察瞬间原子，并操纵它们的布置，调整表面之间的摩擦量。通过改变一个表面上原子的间距，他们观察到摩擦消失的点。

Vladan velfety是MIT的Lester Wolfe物理学教授，表示调整摩擦的能力在开发纳米胺 - 从组件的单分子大小构成的微小机器人。velety说，在纳米级，摩擦可以精确地是更大的力 - 例如，在微小的电动机上产生磨损和撕裂比在更大的尺度上发生得更快。

“努力了解摩擦力并控制它，因为它是纳米胺的限制因素之一，但实际控制任何规模的摩擦程度都相对较少，”易怒。“我们系统中的新是什么是第一次在原子尺度上，我们可以将这种过渡从摩擦到超级润滑性。”

逼民以及研究生Alexei Bylinskii和Dorian Gangloff，在COSSCOLLS中发表了结果。

了解技术麻省理工学院的方法，用于模拟纳米级摩擦。视频：Melanie Gonick / MIT（来自Alexei Bylinkskii的计算机模拟）

摩擦和力领域

该团队通过首先将纳米级摩擦通过第一工程两个表面置于接触：光学晶格和离子晶体。

使用沿相反方向行进的两个激光束产生光学晶格，其场在一个维度中加起来形成正弦周期图案。该所谓的光学晶格类似于蛋纸箱，其中每个峰值代表最大电位，而每个槽代表最小。当原子跨越这样的电场时，它们被吸引到最小潜力的位置 - 在这种情况下，槽。

逼近的然后设计了第二表面：一种离子晶体 - 基本上，带电原子的栅格 - 以便研究摩擦的作用，原子由原子。为了产生离子晶体，该组使用光以电离，或电荷，中性YTterbium原子从小型加热烘箱中出现，然后用更激光的速度冷却它们以上绝对零。然后可以使用施加到附近金属表面的电压捕获带电原子。一旦带正电，每个原子通过所谓的“库仑力”互相击退。排斥有效地保持原子分开，使它们形成晶体或晶格状表面。

然后，团队使用了相同的力，用于捕获原子以推动并将离子晶体拉出晶格，以及伸展并挤压离子晶体，就像手风琴一样，改变其原子之间的间距。

地震和毛毛虫

一般而言，研究人员发现，当离子晶体中的原子定期间隔时，以与光学晶格的间距相匹配的间隔，两个表面经历了最大的摩擦，就像两个互补的乐高砖一样。该团队观察到，当原子间隔开，使得每次占据光学晶格中的槽时，当离子晶体作为整体拖到光学晶格时，原子首先倾向于粘在格子的槽中，偏好于其偏好绑定较低的电位，以及保持原子间隔的库仑力。如果施加有足够的力，则离子晶体突然滑动，因为原子共同跳到下一个槽。

“这就像地震一样，”胆怯说。“有力量建立起来，然后突然存在灾难性的能量释放。”

该组继续伸展并挤压离子晶体以操纵原子的排列，并发现如果原子间隔与光学晶格的间隔不匹配，则两个表面之间的摩擦消失。在这种情况下，晶体倾向于不粘在突然滑动，而是在光学晶格上流畅地移动，就像划过地面的毛毛虫。

例如，在某些原子在槽中的布置中，而其他原子在峰值处，并且仍然是其间的其他地方，当离子晶体被拉到光学晶格上时，一个原子可以稍微向下滑动峰值，释放一点压力，并使第二个原子更容易爬出槽 - 这反过来又拉动第三个原子，等等。

“我们可以做的是调整原子之间的距离与光学晶格匹配的距离，以获得最大摩擦，或不匹配无摩擦，”胆量说。

Gangloff补充说，该组的技术不仅可以用于实现纳米载体，而且还可用于控制蛋白质，分子和其他生物成分。

“在生物结构域中，各种分子和原子彼此接触，沿着摩擦或缺乏摩擦的结果滑动沿生物分子电机，”Gangloff说。“所以这种直觉如何安排原子以最小化或最大化摩擦力。”

德国弗莱堡大学的物理学教授托比亚斯Schaetz将结果视为“清晰突破”，以“别无不行性的基本物理”洞察。他说，该技术可以应用于许多区域，从纳米尺度到宏观。

“他们的新方法的申请和相关影响推动了各种研究领域调查与筏子构造的效果与生物系统和电机蛋白质相关，”Schaetz说，他不参与研究。“只是想象一个纳米机器，我们可以控制摩擦，以提高牵引力的接触，或减轻按需减轻拖拽。”

这项工作部分由国家科学基金会和加拿大国家科学与工程研究委员会资助。

出版物：Alexei Bylinskii等，“在离子晶体模拟器中调整摩擦原子，”2015年6月5日：卷。 348号。 6239 pp 1115-1118; DOI：10.1126 / Science.1261422

图像：Christine Daniloff / Mit和Alexei Bylinkskii