Origine microscopica dell'attrito: la nanotribologia

L'attrito tra due superfici in scorrimento fra loro è probabilmente uno dei più antichi problemi della fisica. Ci sono prove che già gli antichi Egizi usassero una sorta di lubrificante per spostare i grandi blocchi utilizzati nella costruzione delle piramidi [1]. Tutto ciò ha certamente contribuito a concepire l'attrito come un fenomeno molto importante da un punto di vista pratico ma oggigiorno scientificamente poco rilevante. Di solito se ne fanno brevi cenni all'inizio di qualsiasi corso introduttivo di fisica in cui viene descritto in termini di semplici leggi empiriche che sommano i risultati di molti effetti causati dalla complessità delle due superfici reali in contatto. Il messaggio implicito è che l'attrito in un sistema ideale costituito da una particella molto piccola su una superficie piana e incontaminata in condizioni di vuoto sarà banale. Eppure, la nostra comprensione sull’origine microscopica dell'attrito è ancora scarsa e controversa [2].


C'è più attrito su superfici conduttive o isolanti?

Ci si potrebbe chiedere se l'attrito dipenda dalle proprietà di conduzione della superficie e scoprire che non c'è una risposta unanime.
In linea di principio, se il substrato è metallico ci sono due diversi processi che possono trasferire l’energia cinetica di un oggetto in moto sul metallo ai gradi interni del substrato e quindi trasformarla in calore: eccitazione di vibrazioni reticolari e induzione di correnti elettroniche all’interfaccia [3]. Nonostante recenti progressi nelle sonde sperimentali [4], l’importanza relativa di questi due contributi è ancora dall’essere risolta perfino nel caso del sistema ideale costituito da un oggetto di dimensioni nanometriche che si muove su una superficie ben caratterizzata. Quantificare questo rapporto in un esperimento si è dimostrato molto difficile perché i canali di dissipazione fononico ed elettronico sono entrambi generalmente attivi.
Probabilmente, il modo più diretto per determinare l’importanza dell’attrito elettronico è lavorare attraverso la transizione superconduttiva. Quando il substrato diventa un superconduttore, il meccanismo elettronico è congelato mentre quello fononico è essenzialmente inalterato. Krim e i suoi collaboratori hanno studiato con una microbilancia a cristalli di quarzo (QCM) l’attrito tra un substrato di piombo e un film adsorbito di azoto solido dello spessore di qualche strato e hanno osservato una pronunciata riduzione di circa un fattore 2 quando il piombo diventava superconduttore [5]. Questo lavoro stimolò un significativo dibattito perché il comportamento osservato non mostrava la prevista dipendenza dalla temperatura attorno alla temperatura critica Tc [6]. Inoltre, lo stesso sistema è stato studiato in un diverso esperimento QCM [7], con una criogenia migliorata, ma pinning completo del film di azoto al substrato di piombo è stato riportato nell’intervallo di temperatura 4-14 K.
Per fornire dei dati solidi su tale argomento, abbiamo deciso di ripetere l’esperimento in condizioni molto più controllate, A partire dal Progetto di Ricerca Avanzato Nanorub finanziato dall’INFM nel 2000, seguito dal finanziamento di altri progetti locali e nazionali, abbiamo assemblato un apparato completamente nuovo che permette misure QCM in condizioni di ultra-alto-vuoto e a temperature fino a 5 K [8]. Sono stati inoltre risolti alcuni dei problemi degli esperimenti precedenti come i) la copertura del film non era misurata ma soltanto stimata; ii) lo stato superconduttivo del piombo durante le scansioni in temperatura non era direttamente controllato; iii) le misure erano effettuate solo durante dei cicli termici di riscaldamento dopo il raffreddamento del campione a 4.2 K.
La nostra attenzione si è ultimamente concentrata sullo studio del nanoattrito di monostrati di neon depositati sulla superficie nuda di piombo attraverso la sua temperature critica. Si è scelto il neon perché, a differenza degli adsorbati più pesanti come azoto, argon, kripton, xenon… scivola in modo riproducibile a basse temperature. I principali risultati ottenuti finora su questo sistema sono stati pubblicati nei seguenti articoli [9-13]. Al momento, stiamo studiando altri problemi particolarmente rilevanti nell’attrito atomico come la superlubricità.
1. D.Dowson, History of Tribology, (Longman, NY, 1979).
2. M. Kisiel, E. Gnecco, U. Gysin, L. Marot, S. Rast and E. Meyer, Nature Mater. 10, 119 (2011).
3. See e.g., “Physics of Sliding Friction”, ed. by B. N. J. Persson and E. Tosatti, eds., (Kluwer, Dordrecht, 1996); B.N.J. Persson, Sliding Friction (Springer, Berlin, 1998).
4. "Nanotribology: Friction and Wear on the atomic scale", ed. by E. Meyer and E. Gnecco, (Springer, New York, 2007).
5. A. Dayo, W. Alnasrallah and J. Krim, Phys. Rev. Lett. 80,1690 (1998).
6. B.N.J. Persson and E. Tosatti, Surf. Sci. 411, L855 (1998); B.N.J. Persson, Solid State Comm. 115,145 (2000).
7. Renner, J. Rutledge and P. Taborek, Phys. Rev. Lett. 83,1261 (1999).
8. L. Bruschi, A. Carlin, F. Buatier de Mongeot, F. dalla Longa, L. Stringher and G. Mistura, “UHV apparatus for QCM measurements in the temperature range 4-400K”, Rev. Sci. Instrum. 76, 023904 (2005).
9. L. Bruschi, G. Fois, A. Pontarollo, G. Mistura, B. Torre, F. Buatier de Mongeot, C. Boragno, R. Buzio and U. Valbusa, “Structural Depinning of Ne Monolayers on Pb at T < 6.5 K”, Phys. Rev. Lett. 96, 216101 (2006).
10. G. Fois, L. Bruschi, L. d'Apolito, G. Mistura, B. Torre, F. B. de Mongeot, C. Boragno, R. Buzio and U. Valbusa, “Low-temperature static friction of N-2 monolayers on Pb(111)”, J. Phys.: Condens. Matter 19, 305013 (2007).
11. L. Bruschi, M. Pierno, G. Fois, G. Mistura, C. Boragno, F. Buatier de Mongeot, and U. Valbusa, “Friction reduction of Ne monolayers on preplated metal surfaces”, Phys. Rev. B. 81, 115419 (2010).
12. M. Pierno, L. Bruschi, G. Fois, G. Mistura, C. Boragno, F. Buatier de Mongeot, and U. Valbusa, “Nanofriction of Neon Films on Superconducting Lead”, Phys. Rev. Lett. 105, 016102 (2010).
13. M. Pierno, L. Bruschi, G. Mistura, C. Boragno, F. Buatier de Mongeot, U. Valbusa, and C. Martella, “Nanofriction of adsorbed monolayers on superconducting lead”, Phys. Rev. B. 84, 035448 (2011).
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