Экспериментальные исследования ученых из Германии и США  обнаружили нарушение основных законов трения на наноуровне. Изучая движение различных наночастиц вдоль графитовой плоскости ученые проверяли предсказание  законов трения.

            Все эксперименты выполнялись в сверх высоком  вакууме, чтобы предотвратить загрязнение поверхностей, что оказывает большое влияние на полученные результаты.

            Наночастицы представляли собой либо аморфную сурьму либо кристаллическое золото.Изменяя время роста наночастиц, исследователи создали контакты разных площадей: от 2000 до 200000 квадратных нанометров, что было оценено с помощью атомного силового микроскопа (АСМ). Скорость перемещения наночастиц по поверхности была 1мкм в секунду, а сила трения измерялась по изгибу кантилевра АСМ.

            Для наночастиц аморфной сурьмы , сила трения увеличивалась пропорционально квадратному корню из площади контакта, что полностью согласовывалось с теоретическими предсказаниями. Для наночастиц золота

ученые получили  сублинейную эависимость.

Эксперименты показали, что трение в наномасштабах сильно зависит от кристаллической структуры вещества. Аморфная сурьма, атомы которой расположены хаотически, испытывала меньшее трение, чем частицы золота с кубической кристаллической решеткой. Сила трения в случае сурьмы росла пропорциональна квадратному корню площади поверхности: этот закон предсказали еще в 2001 году, но с тех пор его так и не выявили в экспериментах и даже появились расчеты,  которые опровергали теорию. А в случае с золотом поведение системы из наночастиц и графитовой подложки оказалось еще более сложным. В этом случае дополнительную роль играла ориентация кубических решеток друг относительно друга: если они совпадали, то трение оказывалось выше, чем при скольжении развернутых на 45 градусов образцов. Изучение силы трения в микроскопическом масштабе, как указывают ученые, может помочь в разработке материалов с пониженным коэффициентом трения. Авторы показали, что результаты можно распостранить также на отдельные атомы. Они пологают, что полученные результаты могут привести к модели микроскопического трения.

Ученые считают, что если две трущиеся поверхности имеют одинаковые атомные структуры, то они могут периодически блокировать движение друг друга. В этом случае сила трения будет пропорциональна площади трущихся поверхностей.

            Однако, если две поверхности имеют различные атомные структуры,  то атомы верхней поверхности не смогут проваливаться точно между атомами нижней поверхности и поэтому сила трения между поверхностями будет уменьшаться. Исследователи неоднократно ранее наблюдали этот эффект экспериментально, однако предсказанные теоретические зависимости они не подтверждали.По мнению Andre Schirmeisen это было свяано с тем, что при увеличении площадей поверхности несоответствие параметров увеличивалось.

Martin Müser из Саарландского Университета в Германии считает полученные результаты впечатляющими, потому что они позволяют объяснить трение на наноуровне на основе простых геометрических соображений, без введения каких-либо сложных атомных взаимодействий, например сил адгезии.

Rob Carpick из Пеньсильванского Унивеситета тоже находится под впечатлением  полученных результатов в связи с тем , что сверхнизкое трение поддается экспериментальному измерению.

 

Подготовлено по материалам статьи  Dirk Dietzel, Michael Feldmann, Udo D. Schwarz, Harald Fuchs  and  André  Schirmeisen. Scaling Laws of Structural Lubricity. Phys. Rev. Lett. 111, 235502 (2013)


 

НАЖМИТЕ КНОПОЧКУ ВАМ НЕ ТЯЖЕЛО А МНЕ ПРИЯТНО

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс