I colloidi: una lente d'ingrandimento sull'attrito microscopico

Presso l'Istituto officina dei materiali (Iom) del Cnr di Trieste, un gruppo di tre ricercatori ha dimostrato che i cristalli colloidali (sistemi di microparticelle cariche) costituiscono un nuovo fondamentale strumento per analizzare le leggi dell'attrito su scala nanometrica.

"La capacità di comprendere e controllare i complessi meccanismi dell'attrito microscopico rappresenta oggi, con l'esplosione delle nanotecnologie e la sfrenata corsa verso la miniaturizzazione dei componenti high-tech, una sfida scientifica e ingegneristica formidabile verso la realizzazione di nano/microsistemi funzionali e motori molecolari efficienti", spiega Andrea Vanossi dello Iom-Cnr.

Fino a oggi la nanotribologia, la scienza che studia i fenomeni di attrito su scala nanometrica, si è sempre scontrata con grandi difficoltà derivate dall'incapacità di accedere all'interfaccia tra due corpi in movimento e all'impossibilità di controllare pienamente la natura, la morfologia e la geometria delle due superfici di scivolamento. Strumenti d'avanguardia come il microscopio a forza atomica o la microbilancia al quarzo hanno permesso di compiere ragguardevoli progressi nel campo, fornendo tuttavia solo valori medi delle misure (per esempio l'attrito statico totale o i tempi caratteristici di scivolamento), che rispecchiano quindi il comportamento dell'intero sistema ma non chiariscono la dinamica delle singole particelle che lo costituiscono, lasciando inspiegati molti aspetti dei meccanismi dell'attrito.

Solo di recente, esperimenti pionieristici condotti in un laboratorio di Stoccarda hanno consentito di osservare in tempo reale il moto effettivo di ogni singola particella e di descrivere direttamente la dinamica di attrito in un particolare sistema modello: un monostrato di colloide fatto scivolare su un substrato ottico generato mediante interferometria laser.

Prendendo spunto da questo studio, i ricercatori delllo Iom-Cnr, in collaborazione con colleghi della Sissa e dell'Ictp (International Centre for Theoretical Physics) di Trieste e del dipartimento di Fisica dell'Università di Milano, hanno condotto simulazioni di dinamica molecolare, riproducendo i risultati ottenuti in laboratorio dai ricercatori tedeschi, anticipando nuove osservazioni e lasciando intravedere la potenzialità di questo rivoluzionario metodo d'indagine.

"Per comprendere i meccanismi di scivolamento e analizzare il lavoro delle forze di attrito in vari sistemi ottenuti controllando e variando le proprietà dell'interfaccia tra il colloide e il reticolo ottico - velocità di drift, geometria del contatto, corrugazione della superficie - sono state utilizzate le simulazioni", precisa il ricercatore dell'Iom-Cnr. "Queste e altre caratteristiche ancora, come la possibilità futura di estendere simulazione ed esperimenti a scale più macroscopiche, propongono i sistemi colloidali, finora scollegati dal mondo della tribologia, al nuovo ruolo di strumento di esplorazione nella complessa e nascosta realtà dei fenomeni di attrito".

Fonte: Andrea Vanossi, Istituto officina dei materiali, CNR, Trieste, tel. 040/3787317 , email vanossi@sissa.it