Deneylere göre hidrojen bağları, nemli bir yüzeyin kuru bir yüzeye göre neredeyse iki kat daha fazla sürtünme oluşturabilmesinin nedenini açıklamaktadır.
Islak bir yüzeyde kaymak riskli olsa da, bir yüzeye su eklemenin onu daha sürtünmeli hale getirebileceği çeşitli durumlar vardır. Araştırmacılar, daha önce önemli bir rolü olduğuna inanılmayan bir etkinin, su ile yüzey arasındaki hidrojen bağının, bu durumu kısmen açıklamaya yardımcı olabileceğini keşfettiler. Bilim insanları, çeşitli nem koşulları altında iki silikon yüzey arasındaki sürtünmeyi inceleyerek bu sonuca vardılar. Araştırmacılar, ağır suyun hafif suya göre daha fazla sürtünmeye neden olduğunu göstererek hidrojen bağının rol oynadığı hipotezini destekledi. Bulgular, sürtünmenin nem ile ilişkisini daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir.
Sürtünme üzerine yapılan ilk deneyler, eğimden aşağı kayan bir tahta blok gibi nispeten büyük nesnelere odaklanmıştır. Daha yeni çalışmalar ise nano ölçekte iğne benzeri problar üzerindeki sürtünme kuvvetlerini araştırmıştır. Bir yüzey üzerindeki tek bir küçük tümsekte ya da “pürüzlü yüzey “de etkili olan sürtünme mekanizmaları bu son çalışmalarla bulunmuştur. Ancak Amsterdam Üniversitesi’nden Liang Peng’e göre, nano ölçekteki sürtünmenin makro ölçekteki sürtünmeyle nasıl ilişkilendirileceği konusunda hala bir bilmece var.
Peng ve meslektaşları, 3 mm genişliğinde bir silikon küre olan oldukça büyük bir probun sürtünmesini inceleyerek bu açığı kapattılar. Küreyi düz bir silikon levhaya karşı itmek için 50 milinewtonluk bir “normal kuvvet” uyguladılar ve birçok pürüzlü yüzeye sahip 20 mikrometre genişliğinde bir temas alanı oluşturdular. Daha sonra küreyi gofret üzerinde saniyede 100 nanometre hızla hareket ettirmek için gereken yatay kuvvet ölçüldü. Yüzeyler, suyun mevcut olduğu ancak yüzeyleri tamamen kaplamadığı %0,6 ile %80 bağıl nem arasında kuru kalmıştır. Yüzeyler üzerinde derinlemesine su testi de yapılmıştır. Önceki çalışmalar sürtünmenin nemle nasıl değiştiğini incelemiş, ancak makroskopik veya mikroskopik boyutlara odaklanma eğiliminde olmuşlardır.
İstatistikler, yüzeyler tamamen kuru olduğunda, sürtünme katsayısının (yatay kuvvetin normal kuvvete bölünmesi olarak tanımlanır) en düşük 0,3 değerine sahip olduğunu göstermektedir. Hava giderek daha nemli hale geldikçe, katsayı %20 nemde maksimum 0,6 değerine ulaşana kadar kademeli olarak azalmıştır. Tamamen suya batırılmış örnek için katsayı 0,5’e yakındı, bu da tamamen ıslak yüzeylerin tamamen kuru olanlardan neredeyse iki kat daha yapışkan olduğu anlamına geliyordu.
Araştırmacılar bu davranışı anlamak için ilk olarak tek pürüzlü yüzey incelemelerinden iyi bilinen bir fenomen olan kılcal yapışmayı incelediler. Su buharı nemli bir ortamda bir pürüzlü yüzey üzerinde yoğunlaşarak onu yakındaki bir yüzeydeki başka bir pürüzlü yüzeye bağlayan bir “su köprüsü” oluşturabilir. Köprü, kayma gibi pürüzlü yüzeylerin ayrılmasına neden olacak herhangi bir eylemi önler. Ekibin çoklu pürüzlü yüzey sistemi için bir çoklu köprü modeli gösterildi, ancak tamamen suya batırılmış yüzeylerin neden kuru olanlardan daha fazla sürtünme yaşadığını açıklayamadı. Her iki uç durumda da köprüler bulunmadığından sürtünmenin aynı olması beklenebilir.
Bilim insanları hidrojen bağının bu bilmeceyi çözebileceğini öne sürüyor. Su molekülleri ile silikon yüzeyler arasında gelişebilen zayıf bir elektrostatik yakınlık hidrojen bağı olarak biliniyor. Bilim insanları bu teoriyi test etmek için hidrojen atomlarının yerini alan bir döteryum izotopu olan ağır su kullanarak deneyleri tekrarladılar. Ağır su normal sudan daha güçlü hidrojen bağlarına sahip olduğundan, araştırmacıların öngördüğü gibi, tamamen daldırılmış testlerde normal sudan (0.51) daha büyük bir sürtünme katsayısı (0.58) üretti.
Peng’e göre nemli zeminlerin kaygan olduğunu düşünmekte yanılmıyoruz. Pürüzlü yüzeyler ayakkabılarımızın ve zeminin nispeten pürüzlü yüzeyi nedeniyle birbirine kilitlenme eğilimindedir, bu da kaymayı zorlaştırır. Peng, su eklenmesi halinde pürüzlü yüzeylerin dağılabileceğini ve direncin azalacağını iddia ediyor. Ancak test yüzeyleri oldukça pürüzsüzdü ve bu da suyun mikro ölçekli kuvvetlerini önemli hale getiriyordu.
Pennsylvania Üniversitesi’nde makine mühendisliği profesörü olan Robert Carpick, “bu araştırmanın suyun çok karmaşık ve büyüleyici davranışına bazı yeni ve ilginç kıvrımlar eklediğini” belirtiyor. Carpick deneyleri, bir kitabın sayfasını çevirmeye yardımcı olmak için parmakları yalama eylemine benzetiyor. Carpick’e göre, araştırmacılar ilginç bir şekilde, daha önce düşünüldüğü gibi sadece kılcal köprülerden ziyade hidrojen bağının da buna dahil olduğunu gösteriyor.
Hollanda’daki Twente Üniversitesi’nden Matthijn de Rooij’e göre nem etkileri, jeolojik faylardaki granüler temaslardan hassas mekanik sistemlere kadar çeşitli sürtünme koşulları için önemlidir. Ona göre, “Bu çalışmadaki sonuçlar bu etkileri laboratuvar ölçeğinde göstermekte ve açıklamaktadır, ancak çok benzer olguların daha büyük bağlantılar alanında da rol oynayacağı varsayılabilir.”
Kaynak: physics.aps.org/articles/v15/196
