TRANSIZIONE DI FASE: FRENO E ACCELERATORE NEL NANOMONDO
Su Physical Review Letter ricercatori italiani propongono nuovi scenari per controllare l'attrito tra corpi dalle dimensioni microscopiche
Trieste, 1 agosto 2011 - Controllare l'attrito alla frontiera dell'universo "nano". Questo è lo scenario che si apre per la prima volta grazie a una ricerca tutta italiana pubblicata sulla rivista Physical Review Letters, coordinata dalla Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati e dal Centro Cnr-Iom Democritos di Trieste, in collaborazione con il Centro Internazionale di Fisica Teorica "Abdus Salam". I ricercatori hanno scoperto che una transizione di fase può influenzare l'attrito, permettendo di controllare la forza che si oppone al moto relativo di corpi dalle dimensioni microscopiche in contatto tra loro.
Nella vita di ogni giorno possiamo riscontrare molteplici esempi di transizioni di fase: ossia il passaggio tra due fasi in cui la materia assume proprietà diverse al variare della temperatura o di altri parametri rilevanti come la pressione, la concentrazione chimica, il campo magnetico. Si pensi all'acqua: è liquida a temperatura ambiente, diventa ghiaccio a bassa temperatura e gassosa a temperature elevate.
Ma perché una transizione di fase influenza il nanoattrito? Lo spiega Andrea Benassi, il giovane ricercatore che è primo autore del lavoro: «Se un solido attraversa una transizione di fase di tipo continuo, la sua risposta meccanica può essere variata a piacere, rendendo la superficie di scorrimento più soffice o più rigida. E l'esperienza quotidiana ci insegna che l'attrito è più grande su un mezzo soffice, è inferiore invece su una superficie dura".
La ricerca
"Il nostro studio, teorico-computazionale, mette in luce per la prima volta la possibilità di controllare l'attrito sostituendo a una superficie inerte, dormiente, una superficie attiva, capace per esempio di attraversare una transizione di fase strutturale, per esempio ferroelettrica, al variare di un parametro di controllo" precisa Erio Tosatti, fisico della Sissa di Trieste, membro della National Academy of Sciences Usa e coordinatore del team.
La transizione di fase conferisce infatti al materiale grande sofficità. "La possibilità dunque di avvicinare o allontanare il solido dalla transizione permette di aumentare o ridurre l'attrito" commenta Benassi.
Costruito un modello teorico di un substrato solido dove questo tipo di transizione di fase si verifica, i ricercatori hanno realizzato simulazioni numeriche dell'attrito. "Abbiamo così riscontrato che l'attrito di slittamento sentito da un oggetto microscopico, come per esempio la punta di un microscopio a forza atomica, può essere influenzato significativamente facendo passare il materiale attraverso la transizione di fase, al variare della temperatura, oppure applicando un campo elettrico o uno stress meccanico al substrato" dichiara Tosatti.
Aspetto ancora più importante emerso dalla ricerca è che questa variazione può essere attuata in "tempo reale", in volo, mentre la punta scorre sulla superficie. "Non stiamo, quindi, parlando solo di una tecnica di controllo dell'attrito ma di un vero e proprio freno o acceleratore nel nanomondo" precisa Benassi.
Questo studio sta risvegliando un notevole interesse nella comunità dei fisici che si occupano di nanoattrito. "Quello che ancora non sappiamo — aggiunge Tosatti— è per quali materiali questo effetto possa essere sufficientemente grande e controllabile. Diversi gruppi di ricerca in Europa, ora, ci hanno contattato per avviare delle collaborazioni al fine di verificare sperimentalmente questo nuovo e interessante meccanismo". >>>
Oggi, grazie ai microscopi a forza atomica (Atomic Force Microscope), capaci di sondare le proprietà statiche e dinamiche di nano-oggetti, si aprono nuove possibilità per esplorare le proprietà tribologiche nel nanomondo, la natura cioè dei fenomeni di attrito. Inventati negli anni 80 nei laboratori Ibm di Zurigo e della California, questi strumenti hanno reso per la prima volta visibili le superfici su una scala tanto fine da poter riconoscere perfino i singoli atomi, le molecole superficiali, il loro moto, e misurare l'attrito per trascinamento della punta.
Lo scenario: alla frontiera dell'universo "nano"
Nel nanomondo, dove i sistemi hanno dimensioni poco più grandi dell'atomo o della molecola, le forze superficiali la fanno da padrone ed è proprio l'attrito un punto debole delle nuove tecnologie in miniatura: a causa dell'eccessiva adesione i materiali incontrano grandi difficoltà nello scivolare l'uno sull'altro, logorandosi più velocemente e disperdendo molta energia. Con l'esplosione delle nanotecnologie e la corsa alla miniaturizzazione dei componenti high-tech, la capacità di controllare i complessi meccanismi di attrito, usura e adesione fra corpi piccolissimi rappresenta dunque una sfida scientifica e ingegneristica sempre più urgente. Una sfida determinante per la realizzazione di nanodispositivi affidabili ed efficienti: si pensi ai sistemi nano e micro elettromeccanici e ai motori molecolari.
A queste dimensioni, i movimenti meccanici sono azionati e trasmessi su scale di lunghezze straordinariamente piccole: 1 nanometro è uguale a 1 miliardesimo di metro. Ma come controllare la dissipazione energetica causata dallo sfregamento tra superfici? A queste lunghezze minuscole le tecniche dell'ingegneria ormai ben collaudate, di lubrificazione per ridurre l'attrito o di frenaggio per aumentarlo, sono di difficile applicazione: occorre quindi cercare soluzioni innovative e alternative.
Meno attrito, più risparmio
La comprensione dei meccanismi dell'attrito a livello atomistico ha un indubbio interesse tecnologico: può favorire infatti la realizzazione di nuovi materiali per uno sviluppo più sostenibile con conseguente risparmio energetico. Ma ha anche un rinnovato interesse scientifico. "L'attrito è forse uno dei problemi più antichi della fisica e da sempre risulta cruciale anche da un punto di vista pratico. Già nelle tombe egiziane, per esempio, sono state rinvenute rappresentazioni di schiavi nell'atto di versare lubrificante per facilitare lo scorrimento dei blocchi di pietra, trascinati per la costruzione delle piramidi. Ma tuttora – conclude – la nostra capacità di descrivere questo fenomeno in termini teorici e matematici è sorprendentemente povera".
Sliding over a Phase Transition
A. Benassi, A. Vanossi, G.E. Santoro, E. Tosatti, Physical Review Letters 106, 256102 (2011)
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