Een lichte verhuisdoos schuif je gemakkelijker over de vloer dan een zware. Hoe zwaarder, hoe meer wrijving. Maar dit geldt niet als er tussen de verhuisdoos en de vloer nauwelijks wrijving is. Dan glijdt een zware verhuisdoos net zo ongehinderd als een lichte.
Het verschijnsel waarbij wrijving tussen twee oppervlakken bijna volledig verdwijnt, heet supersmering. Een internationale onderzoeksgroep heeft nu in kaart gebracht hoe en waarom supersmering contra-intuïtieve eigenschappen heeft, zoals dat het gewicht niet uitmaakt. Hun resultaten verschenen vorige week in Physical Review Letters.
Wrijving is volgens schattingen verantwoordelijk voor ongeveer een kwart van de energieverliezen wereldwijd, omdat het extra energie kost en zorgt voor slijtage. Supersmering zou de lasten kunnen verminderen.
Supersmering treedt op bij oppervlakken die super plat zijn, tot op de schaal van atomen. Wrijving ontstaat namelijk door het contact tussen de atomen van twee oppervlakken. Zelfs de meest vlakke materialen zien er op de schaal van atomen uit als miniatuur berg- of heuvellandschap. Als twee oppervlakken elkaar raken, dan kunnen de pieken van de ene in de dalen van de ander vallen. Passen ze precies in elkaar, dan kost het veel moeite om al die pieken over de toppen van het andere oppervlak te schuiven.
Maar als je diezelfde oppervlakken ten opzichte van elkaar draait, dan vallen de pieken en dalen niet meer samen en dan glijden ze gemakkelijker over elkaar. „Je kunt het vergelijken met twee ouderwetse wasborden”, vertelt fysicus Joost Frenken, niet betrokken bij het onderzoek. „Als de ribbels van de ene precies in die van de andere passen, dan zitten ze stevig. Draai je ze, dan glijden ze eenvoudig over elkaar heen.” Bij supersmering glijdt dit zo goed dat dat er nauwelijks wrijving is.
Vlokjes grafiet
Ongeveer twintig jaar geleden toonde Frenken, nu decaan van de Rijksuniversiteit Groningen, dit supersmering-verschijnsel voor het eerst aan met grafietoppervlakken, die bestaan uit platte laagjes koolstofatomen. Frenken: „Dit verklaarde waarom vlokjes grafiet, dat al decennia gebruikt wordt als smeermiddel voor sloten en scharnieren, zo goed werkt.”
Frenken ontdekte met zijn team eerder ook dat temperatuur de wrijving verder vermindert, vertelt hij: „Atomen gaan namelijk trillen door warmte waardoor ze gemakkelijker over de heuvels heen hobbelen.”
Het nieuwe onderzoek laat zien dat het omgekeerde ook kan gelden. Als je oppervlakken snel over elkaar beweegt, dan neemt de wrijving juist toe als de temperatuur stijgt. De onderzoekers laten zien dat dat komt doordat warmte kleine welvingen laat ontstaan in de platte oppervlakken. Bij hoge snelheden zorgen die welvingen voor meer wrijving.
Ze beschrijven ook waarom de wrijving niet toeneemt bij meer gewicht. Bij ‘gewone’ wrijving zijn atomaire oppervlakken rommelig. Druk je die harder op elkaar, met meer gewicht, dan wordt het contact ertussen – en dus de wrijving – groter. Bij supersmering is het oppervlaktecontact al optimaal en neemt niet toe met het gewicht.
„Dankzij dit en ander onderzoek begrijpen we steeds beter hoe supersmering werkt”, zegt Frenken. „Dat betekent dat we het voor meer toepassingen kunnen gaan inzetten.”
