У нанотрибологии, що вивчає тертя наномасштабных поверхонь, відкритий ефект негативного коефіцієнта тертя

Якщо натиснути пальцем на стіл слабо, то він буде ковзати легко, а якщо сильно — тяжко, важко. Фізики із США і Китаю показали, що якщо зробити те ж саме з кантилевером атомно-силового мікроскопа на поверхні графітової, то ефект буде протилежним. Так-так, чим слабкіше ви будете натискати, тим сильніше буде тертя.

Нанотрибология, що вивчає тертя наномасштабных поверхонь, може дати результат, який серйозно відрізняється від того, до чого ми звикли, але ось чим може бути викликане зворотне співвідношення тертя з силою натискання — питання непросте.

В принципі, тертя може періодично змінюватись по мірі того, як кантилевер атомно-силового мікроскопа рухається по поверхні кристалічної решітки. При цьому коефіцієнт тертя може нелінійно змінюватися, однак падіння тертя з зростанням натискання — іншими словами, ситуація з негативним коефіцієнтом тертя — раніше ніколи не спостерігалося.

Вістрі кантілевери (зверху) притягує до себе тим атоми графіту (знизу), над яким проходить, що і обумовлює від’ємний коефіцієнт тертя. (Ілюстрація NIST.)

Рейчел Каннара, Чжао Ден (Zhao Deng) і їх колеги з Національного інституту стандартів і технологій (США) і Університету Цінхуа (КНР) зробили несподіване відкриття випадково. Чжао Ден вимірював коефіцієнт тертя (швидкість його зміни в залежності від навантаження) між алмазної частиною вістря кантілевери мікроскопа і графітової поверхнею. Рутинна робота, на яку зазвичай ставлять новачків.

Спочатку він збільшив навантаження, і тертя зросла. Тоді він її зменшив і справив знову завмер. Сюрприз: тертя знову збільшилася. Негативний коефіцієнт тертя? І в чому його причина? Що дивно, після першого виміру зростання тертя був систематичним: воно зростало у міру зниження навантаження, аж до моменту повного розчеплення вістря кантілевери і графіту.

Гіпотеза, що пояснює таке дивне явище, одночасно проста і незвичайна. Раніше вчені вже звертали увагу на те, що чим тонше графітовий шар, тим вище тертя на його поверхні. Розвиваючи це спостереження на прикладі «негативно коефіцієнта тертя», вони припустили, що коли шар графіту має товщину всього в декілька атомів, то його міжатомні взаємодії з кантилевером змушують атоми в точці контакту «прилипати» до вістря. При зниженні навантаження воно злегка піднімається і захоплює за собою графіт. Природно, в такій конфігурації тертя зростає. Лише коли вістря прибирається повністю, графіт повертається до початкового положення.

Цікаво і те, що ефект теоретично повинен ставитися до всіх матеріалів, що утворюють шари, по товщині порівнянні з розмірами атома. В принципі, така особливість може бути використана при проектуванні мікроелектромеханічних пристроїв, де мінімізація тертя особливо важлива, адже там величина тертя порівняно з діючими у механізмі силами збільшується і стає досить значною, але при цьому не може бути зменшена за допомогою звичайних матеріалів.

Відповідне дослідження опубліковане в журналі Nature Materials.

Підготовлено за матеріалами Physicsworld.Com.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *