[論文レビュー] Jamming, Friction and Unsteady Rheology

Mark O. Robbins|ArXiv.org|Dec 17, 1999

Force Microscopy Techniques and Applications被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、粉粒体、分子ガラス、複雑流体におけるジャミング、摩擦、非定常 rheology の関係を調査する。静的摩擦が原子スケールの接触に起因するのではなく、表面間の隙間に存在する「第三体」—薄い流体膜や微粒子—のジャミングに起因することを示し、普遍的なマクロな摩擦挙動を説明する。一方、大きな応力によってジャミングが克服されると、非定常なスティック・スリップ運動が生じる。

ABSTRACT

The connection between friction and jamming in granular media, molecular glasses, and complex fluids is explored. The paper first reviews the way friction is measured, the types of results that are observed, and what is known about the geometry of contacts between macroscopic surfaces. Then simple models for the origin of static friction are described. These are unable to explain the universal observation of static friction between macroscopic objects. The effects of surface roughness and chemical heterogeneity are discussed, and shown to yield exponentially weak static friction in our three dimensional world. In contrast, jamming of the "third bodies" that are present between most surfaces is shown to produce static friction that is consistent with macroscopic measurements. Experimental and simulation studies of jamming of molecularly thin fluid films are described and compared to studies of bulk glass transitions. The paper concludes by considering the unsteady stick-slip motion that often arises when systems become unjammed by sufficiently large stress. Different types of stick-slip motion are identified, and some of its origins are explored.

研究の動機と目的

• マクロスケールのシステムにおける静的摩擦の物理的起源を理解すること。これは、従来の原子スケール接触モデルでは説明できない。
• 単純なモデルが指数関数的に弱い摩擦を予測するのに対し、普遍的なマクロスケール観測では強い静的摩擦が観察されるというパラドックスを解消すること。
• 表面間の隙間に存在する「第三体」（例：分子的薄い流体膜など）のジャミング状態が、測定可能でマクロ的に整合性のある静的摩擦を生じることを調査すること。
• 外力下でのジャミング状態からアンジャミング状態への遷移、特にスティック・スリップ運動の発生を分析すること。
• 薄い膜におけるジャミングとバルクガラス転移の類似性を比較し、スケールを越えた共通の動的特徴を同定すること。

提案手法

• 固体表面間のマクロスケール摩擦および接触幾何学を測定するための実験的・理論的枠組みをレビューする。
• 原子スケール接触の単純なモデルを分析し、3次元において指数関数的に弱まるため、マクロスケールの静的摩擦を予測できないことを示す。
• 「第三体」としての間隙に存在する物質（吸着層や微粒子など）のジャミング状態が、頑丈な静的摩擦を生じることを導入する。
• 分子動力学シミュレーションおよび薄い流体膜の実験的・理論的研究を用い、ジャミング遷移をモデル化し、バルクガラス転移と比較する。
• ジャミング状態からのアンジャミングに続く応力緩下および間欠的運動の分析を通じて、非定常なスティック・スリップダイナミクスを特徴付ける。
• ソフトマテリアルにおけるジャミングとガラス転移の類似性を描出し、制限された動的挙動および非平衡状態の重要性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ理論的予測では原子的接触において指数関数的に弱い摩擦が予想されるにもかかわらず、マクロスケールの表面は強い静的摩擦を示すのか？
• RQ2 表面間の隙間に存在する間隙の「第三体」のジャミングが、マクロスケール測定と整合性のある静的摩擦をどのように生じさせるのか？
• RQ3 分子的薄い膜におけるジャミングとバルクガラス転移との間には、どのような類似点と相違点があるのか？
• RQ4 ジャミング状態の系に大きな応力が加わった際に、非定常なスティック・スリップ運動が発生する物理的メカニズムは何か？
• RQ5 表面粗さと化学的不均一性は、ジャミング転移およびそれに続く摩擦応答にどのように影響を与えるのか？

主な発見

• 単純な原子スケール接触モデルは、三次元において指数関数的に弱い静的摩擦を予測するが、これはマクロスケールの観測と矛盾する。
• 表面間の隙間に存在する「第三体」（例：吸着層や微粒子）の存在とジャミング状態が、マクロスケール測定と一致する静的摩擦を生じる。
• 分子的薄い流体膜はバルクガラス転移に類似したジャミング遷移を示し、制限されたソフトマテリアルにおける共通のメカニズムを示唆する。
• 大きな応力によるアンジャミングは、ジャミング状態に蓄えられた弾性エネルギーの解放に起因する非定常なスティック・スリップ運動を引き起こし、異なる種類の間欠的ダイナミクスが生じる。
• 表面粗さや化学的不均一性だけではマクロスケール摩擦を説明できない。むしろ、間隙に存在する物質のジャミングが支配的メカニズムである。
• 本研究は、粉粒体から分子ガラスに至るソフトマテリアル系において、摩擦、ジャミング、 rheology を統合的に結びつけるフレームワークを同定した。