Su, 06/07/2015 - 18:37 Markus Hotakainen

Jokainen talvikelissä liukastellut tietää, mikä merkitys on kitkalla ja etenkin sen puutteella. Toisaalta kitkasta on myös riesaa, kun esimerkiksi moottoreiden osat kuluvat käytössä.

Aina kun kaksi pintaa joutuu toistensa kanssa kosketuksiin, niiden välillä on kitkaa. Tai ei ihan aina: joissakin tapauksissa esiintyy ilmiö, jota nimitetään "supraliukuvuudeksi" (superlubricity). 

Silloin kitka katoaa kokonaan ja pinnat liukuvat toistensa suhteen vailla minkäänlaista vastusta – samaan tapaan kuin suprajohtavuudessa sähkö kulkee vastuksetta.

MIT:n (Massachusetts Institute of Technology) tutkijat ovat nyt kehittäneet menetelmän, jolla kitkaa voidaan hallita nanotasolla. Säätelemällä yksittäisten atomien keskinäistä asemaa voidaan kitkan suuruutta muuttaa jopa siihen pisteeseen, että se häviää tyystin.

Vladan Vuleticin johdolla tehdyllä tutkimuksella on suuri merkitys erityisesti nanoteknologiassa, missä "koneita" rakennetaan molekyylien kokoisista osista. Nanomittakaavassa kitka kuluttaa rakenteita usein paljon nopeammin kuin meille tutussa makromaailmassa.

"Kitkan ymmärtäminen ja hallinta on tärkeää, sillä se on yksi nanokoneiden rakentamista rajoittava tekijä", Vuletic toteaa. "Meidän menetelmämme avulla pystytään tarkastelemaan siirtymää kitkasta supraliukuvuuteen ensimmäistä kertaa atomien tasolla."

Vuleticin ryhmä käytti simulaatiota, jolla mallinnettiin kahta toisiinsa kosketuksissa olevaa pintaa. Ensin luotiin kahdella vastakkaisella lasersäteellä optinen hila, jossa sähkömagneettiset kentät muodostavat säännöllisen "rakenteen".

Munakennoa muistuttavassa optisessa hilassa "kuopat" vastaavat sähköistä minimipotentiaalia, "kohoumat" puolestaan maksimia. Kun atomit liikkuvat tällaisessä kentässä, ne pyrkivät hakeutumaan mahdollisimman pieneen potentiaaliin eli kuoppiin.

Kitkan tutkimiseksi tutkijat tarvitsivat myös toisen pinnan, jonka muodosti ionikide, varauksellisista atomeista koostuva "verkko". Harvinaisiin maametalleihin kuuluvaa ytterbiumia kuumennettiin ensin, sitten sen atomeihin kohdistettiin valo, jolloin ne ionisoituivat, ja lopuksi syntyneet ionit jäähdytettiin laserin avulla lähelle absoluuttista nollapistettä, -273 celsiusastetta. 

Sen jälkeen ionit eli varaukselliset atomit järjestettiin sähköjännitteen avulla. Samanmerkkiset ionit hylkivät toisiaan, jolloin ne muodostavat säännöllisen kiteen. Sen kokoa – eli sähköisesti varattujen atomien välistä etäisyyttä – ja liikettä voidaan säädellä saman sähköjännitteen avulla, jolla kide alkujaan muodostettiin.

Kun kidettä liikuteltiin optisen hilan suhteen, ionit pyrkivät hakeutumaan munakennoa muistuttavan kentän minimipotentiaaleihin. Kun ionien välinen etäisyys oli sama kuin kentän "kuoppien", kitka oli suurimmillaan: jokainen ioni oli yhtä aikaa omassa kuopassaan.

Jos kidettä yritettiin liikuttaa, ensin ei tapahtunut mitään, mutta kun voima kasvoi riittävän suureksi, se liikahti kertanykäyksellä, kuin mannerlaatat maanjäristyksessä. Kiteen ionit pomppasivat seuraaviin kuoppiin.

Kun ionien välistä etäisyyttä muutettiin, kitka pieneni. Osa ioneista osui edelleen kentän kuoppiin, mutta osa oli kohoumien kohdalla ja osa jossakin siltä väliltä. Silloin kide liikkuu helpommin optisen hilan suhteen, sillä kohoumien kohdalla olevat ionit pääsevät "valumaan" alaspäin ja tavallaan vetämään perässään alempana olevia ioneja ylöspäin.

Tietyllä ionien välisellä etäisyydellä kahden "pinnan" välinen kitka häviää kokonaan ja kide pääsee liikkumaan vastuksetta optisen hilan muodostamassa kentässä. Silloin saadaan aikaan supraliukuvuus, jolla odotetaan olevan hyödyllisiä sovelluksia nanotekniikan lisäksi myös makromaailmassa.

Tutkimus julkaistiin Science-tiedelehdessä (maksullinen) 4. kesäkuuta ja siitä kerrottiin MIT:n uutissivuilla.

Kuva: Christine Daniloff/MIT