Wrijving en lading

Wrijving, de kracht die ervoor zorgt dat objecten aan elkaar blijven kleven of ten opzichte van elkaar verschuiven, is essentieel in technologieën zoals de productie van halfgeleidercomponenten, waarbij siliciumwafers met uiterste precisie moeten worden vastgehouden en verplaatst. Wrijving wordt momenteel echter bepaald door de keuze van de gebruikte materialen en kan niet actief worden aangestuurd.

Een nieuw project onder leiding van Bart Weber, verbonden aan het UvA-IoP en ARCNL, en gefinancierd via een NWO Vidi-beurs, onderzoekt een vernieuwende aanpak: het gebruik van elektrische lading die is opgesloten in dunne isolerende lagen om de aantrekkings- of afstotingskracht tussen oppervlakken te beïnvloeden. Door deze lading te reguleren, kan de wrijving naar believen worden verhoogd of verlaagd. Dit kan worden gebruikt voor een nauwkeurigere en snellere productie van chips en kan de weg vrijmaken voor 'slimme' oppervlakken waarvan de grip en beweging kunnen worden aangepast.

Op afstand, omkeerbaar en regelbaar

Wanneer twee isolerende vaste materialen elkaar raken, ontstaan ​​er door de mechanische contacten elektrische ladingen die vervolgens worden vastgehouden. Deze opgesloten ladingen kunnen ertoe leiden dat bepaalde delen van het raakvlak 'plakkeriger' zijn dan andere, doordat tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Omdat deze kleverigheid – oftewel: adhesie – bepalend is voor wrijving, kunnen opgesloten ladingen de krachten op het raakvlak direct beïnvloeden. Het vermogen om te sturen waar dergelijke ladingen worden vastgehouden, zou het daarom mogelijk maken om wrijving naar wens aan te passen.

In tegenstelling tot chemische aanpassingen werken elektrostatische wisselwerkingen over een grotere afstand; ze zijn omkeerbaar en elektrisch regelbaar. “Hoewel het ‘vangen’ van lading een bekend verschijnsel is in geheugencomponenten, is de rol ervan bij mechanisch belaste glijcontacten nog grotendeels onontgonnen terrein”, zegt Weber. “Als we onder dergelijke omstandigheden lading kunnen stabiliseren, wordt adhesie. en daarmee wrijving, programmeerbaar.”

Toepassingen en impact

In moderne halfgeleiderapparatuur is wrijving geen ontwerpparameter die ingenieurs naar believen kunnen afstellen, maar een bijproduct van de gebruikte materialen en oppervlakken. "Een betere beheersing van wrijving in deze systemen zou de positioneernauwkeurigheid, stabiliteit en doorvoer direct verbeteren", aldus Weber. "Dit vertaalt zich niet alleen in economische groei, maar leidt ook tot een lager energieverbruik, aangezien computerchips met fijnere structuren minder stroom verbruiken."

Naast de productie van halfgeleiders biedt het vermogen om wrijving actief te beïnvloeden nieuwe mogelijkheden voor adaptieve mechanische systemen. "Oppervlakken zouden kunnen schakelen tussen een toestand met lage wrijving en een toestand met hoge wrijving, afhankelijk van de taak", legt Weber uit. "Dit maakt efficiënte beweging mogelijk wanneer dat nodig is, en een stevige grip wanneer dat vereist is." Dergelijke functionaliteit is relevant voor robotmanipulatie, precisietechniek en hoogwaardige mechanische systemen.

Ondersteuning voor opkomende leiders in de wetenschap

Dit project wordt gefinancierd via een NWO Vidi-beurs binnen het domein Toegepaste en Technische Wetenschappen. De Vidi-beurs is een individuele onderzoekssubsidie, bedoeld voor onderzoekers die de overstap maken naar een leidinggevende rol. Meer informatie over de Vidi-beurs en de toegekende projecten is te vinden op de website van NWO.