Noncontact friction via capillary shear interaction at nanoscale

벌크 물은 윤활 역할을 하지만 나노 물은 마찰을 일으킨다. 맞닿은 두 거시적 물체 사이에는 그림과 같이 접촉점들과 비접촉점들이 존재하고, 공기중에서는 후자들 사이에 나노 물기둥이 형성된다. 그동안 첩촉점에 의한 마찰 효과는 많이 연구 되었지만 나노 물기둥에 의한 비접촉 마찰 연구는 전무하였다. 제원호 교수팀은 자체 제작한 수정진동자 기반 원자힘 현미경을 이용하여 단일 물기둥에 의한 비접촉 나노 마찰 연구를 수행하였다. 그 결과 고체와 액체 경계면의 접촉선(contact line)이 미시적인 pinning-depinning 과정에 의해 비점성 감쇄(nonviscous damping)를 일으키고, 그 마찰력은 접촉점 마찰의 10%임을 보였다. 비접촉점의 숫자가 접촉점에 비해 훨씬 많기 때문에 실제로 비접촉 마찰 현상은 매우 중요하고, 이는 거시적 마찰과 미시적 마찰 사이의 이해의 폭을 좁혀주는 역할을 하리라 기대된다.

While bulk water serves as a lubricant, nanosized water causes friction. Its ubiquitous form is the water nanobridge, capillary-condensed between two sliding bodies in air, whose role on friction is not understood yet. Here we present novel ‘noncontact’ friction in air, induced by the capillary ‘shear’ force. We show that the bridge-mediated shear interaction originates from the ‘pinning-depinning’ dynamics of the contact-line at the tip-bridge interface, and the resulting effect reaches up to 10% of contact friction. Our results offer a better understanding of macroscopic friction in air, where the distant asperities that activate numerous nanobridges consist of the apparent contact area.

Authors: Manhee Lee, Bongsu Kim, Jongwoo Kim and Wonho Jhe