[論文レビュー] Brownian ratchet driven by Coulomb friction

Andrea Gnoli, Alberto Petri+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2012

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、非対称なホイルにおける固体同士の接触におけるクーロン摩擦が、熱揺らぎを整流することで、平衡状態の熱バスタに即してでも一方向回転を誘発する、新規なラチェット機構を提案する。主な発見は、摩擦駆動トルクが平衡状態においても定向的運動を生成できることであり、高密度の粒状衝突率では粒状ラチェット効果が優勢となり、回転方向が逆転することを示しており、粒状効果による調整可能なラチェット逆転を実現している。

ABSTRACT

The rectification of unbiased fluctuations, also known as the ratchet effect, is normally obtained under statistical non-equilibrium conditions. Here we propose a new ratchet mechanism where a thermal bath solicits the random rotation of an asymmetric wheel, which is also subject to Coulomb friction due to solid-on-solid contacts. Numerical simulations and analytical calculations demonstrate a net drift induced by friction. If the thermal bath is replaced by a granular gas, the well known granular ratchet effect also intervenes, becoming dominant at high collision rates. For our chosen wheel shape the granular effect acts in the opposite direction with respect to the friction-induced torque, resulting in the inversion of the ratchet direction as the collision rate increases. We have realized a new granular ratchet experiment where both these ratchet effects are observed, as well as the predicted inversion at their crossover. Our discovery paves the way to the realization of micro and sub-micrometer Brownian motors in an equilibrium fluid, based purely upon nano-friction.

研究の動機と目的

• クーロン摩擦が、それ以外に平衡状態にある系において定向的運動を誘発できるかどうかを調査すること。
• 熱揺らぎと固体同士の接触摩擦の間の相互作用が、非対称ホイルにおけるネットドリフトをどのように生成するかを調査すること。
• 外部の非平衡力が存在しない状況でも、摩擦がラチェット効果を駆動できることを実証すること。
• 制御された実験条件下で、摩擦駆動ラチェット効果と粒状ラチェット効果の間の遷移を観測・特徴づけること。

提案手法

• 熱バスタに接触する非対称ホイルの数値シミュレーションを行い、接触点にクーロン摩擦を組み込む。
• 熱揺らぎ下での非対称ホイルに生じる摩擦駆動トルクの解析的モデル化。
• 高エネルギー衝突状態を模倣するため、粒状ガスを熱バスタとして用いる。
• 異なる衝突率における摩擦駆動トルクと粒状ラチェット効果の比較。
• マイクロフォーミングされた非対称ホイルと制御された粒状ガス条件を用いた実験的実装。
• 衝突率を関数としての回転方向および回転量の分析により、遷移点を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クーロン摩擦は、非平衡状態に依存しない熱揺らぎを整流し、平衡状態においても一方向の運動を生じさせることができるか？
• RQ2 高衝突率において、摩擦駆動ラチェットトルクと粒状ラチェット効果の大きさと方向はどのように比較できるか？
• RQ3 衝突率が増加するに従い、粒状ラチェット効果の優位性によりホイルの回転方向が逆転するか？
• RQ4 粒状ラチェット効果が摩擦駆動トルクを上回る遷移領域はどこか？
• RQ5 このメカニズムは、制御された実験セットアップで実際に観測・検証可能か？

主な発見

• 固体同士の接触におけるクーロン摩擦が、熱平衡下の非対称ホイルにネットトルクを生成し、定向的回転を誘発する。
• 摩擦駆動ラチェット効果は、外部の非平衡力が存在しない状況でも一貫した回転方向を生じる。
• 高密度の粒状衝突率では、粒状ラチェット効果が優勢となり、摩擦駆動トルクとは逆方向に作用する。
• 衝突率が増加するに従い、ホイルの回転方向が逆転することを確認し、二つのラチェットメカニズム間の遷移を実証した。
• 実験的実装により、両ラチェット効果および予測された遷移点での逆転が正常に観測された。
• 結果として、平衡状態のナノスケール流体内でのナノスケール摩擦のみに依存する、サブミクロンスケールのブラウン運動モーターの設計が現実的であることが示された。