Intuïtief denken we dat een laagje water materialen gladder maakt. Dat is echter niet altijd het geval, laat nieuw onderzoek zien.

 

‘Pas op!’, staat vaak op een bordje bij natte tegelvloeren in stationshallen of winkelcentra, met een illustratie van een uitglijdend persoon erbij. Wat nat wordt, wordt immers glad.

Toch is dat niet altijd het geval. Er zijn – vooral op microscopische schaal – ook situaties waarbij water een oppervlak juist stroever maakt.

 

Wrijving heeft een maximum

Onderzoekers van onder andere de Universiteit van Amsterdam lieten een silicium bol met een doorsnede van drie millimeter over een eveneens silicium plaat bewegen, en maten bij verschillende vochtgehaltes hoeveel kracht er nodig was om het bolletje met een snelheid van honderd nanometer per seconde te laten bewegen (dat is ongeveer een derde millimeter per uur).

Ze toonden aan dat de wrijving daarbij het laagst is in droge lucht en dan toeneemt naarmate het vochtiger wordt, tot de luchtvochtigheid zo’n 20 procent is. Vanaf dat moment neemt de wrijving weer af naarmate het natter wordt.

Ter vergelijking: de luchtvochtigheid in huis ligt idealiter rond de 50 procent.

Uiteindelijk is de wrijving bij een nat oppervlak twee keer zo groot als bij een droog oppervlak, schreven de wetenschappers eind december in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.

 

De meetopstelling. Beeld: Liang Peng, Universiteit van Amsterdam

 

Waterstofbruggen  

Het stroever worden van het natte oppervlak heeft te maken met het ontstaan van waterstofbruggen, concludeerden de wetenschappers. Hierbij gaat een waterstofatoom (H) aan twee kanten een zeer sterke binding aan met een elektronegatief atoom zoals zuurstof, stikstof of fluor.

‘En in dit geval waarschijnlijk met Si-OH groepen die aan de siliciumoppervlakken zitten’, zegt onderzoeker Bart Weber van het Advanced Research Center for Nanolithography (ARCNL), die aan het onderzoek meewerkte.

Bij herhaling van de proeven met ‘zwaar water’, waarin deze waterstofbinding sterker is, zou de wrijving dan nóg iets groter moeten worden. Dat bleek inderdaad het geval te zijn.

In veel andere gevallen is het de capillaire hechting die de toename van wrijving met de luchtvochtigheid veroorzaakt. Deze wordt veroorzaakt door de aantrekkingskracht tussen de vloeistofmoleculen en de oneffenheden aanwezig op het oppervlak van het materiaal.

 

Ruwheid

Dat een natte vloer glad is klopt nog steeds, zegt promovendus materiaaleigenschappen Liang Peng van de Universiteit van Amsterdam, eerste auteur van het onderzoekspaper, in het tijdschrift Physics. Op een droge vloer hebben de oneffenheden die de vloer enigszins ruw maken interactie met oneffenheden aan de onderkant van je schoenzolen. Bij een natte vloer fungeert het water dan als een smeermiddel dat die oneffenheden als het ware opvult.

Bij het onderzoek met de siliconenbol waren de oneffenheden echter relatief groot ten opzichte van de schaal van het experiment, en treden er andere mechanismen in werking.

Het onderzoek slaat zo een brug tussen wrijvingsstudies op macroscopische schaal en wrijvingsstudies op nanoschaal, waarbij slechts één oneffenheid in het oppervlak in beschouwing wordt genomen.

 

Toepassingen

Het belang van studies naar wrijving is groot, zegt Weber. ‘Er zijn schattingen die aangeven dat meer dan 20 procent van de wereldenergieconsumptie op gaat aan het overwinnen van wrijvingskrachten.’

ARCNL werkt samen met chipmachinefabrikant ASML, vertelt hij. ‘Wrijving en slijtage kunnen een belangrijke rol spelen in precisiepositionering, en dat laatste is noodzakelijk voor de productie van moderne computerchips. Vanuit die invalshoek is het wrijvingsgedrag van silicium – het materiaal waarop computerchips worden gefabriceerd – heel interessant.’

Daarnaast maakt dit onderzoek aannemelijk dat ‘droge’ wrijving waarschijnlijk niet echt bestaat, zegt Daniel Bonn, de hoogleraar bij wie Peng uiteindelijk hoopt te promoveren. ‘Er zit namelijk altijd waterdamp in de lucht, en die zal bijna altijd aan het oppervlak condenseren.’

Tot nu toe dacht men altijd dat de aanwezigheid van water aan het oppervlak ofwel geen effect zou hebben ofwel het glijden makkelijker zou maken. Bonn: ‘Maar onze metingen laten zien dat het veel ingewikkelder is dan dat, en dat de frictie ook kan toenemen. Dit is uiteindelijk belangrijk voor álle wrijvingsprocessen, wellicht zelfs voor rijden of lopen over natte en droge wegen.’

 

Openingsbeeld: Depositphotos