Тертя на мікромасштабі несподівано залежить від швидкості ковзання

Тертя на мікромасштабі несподівано залежить від швидкості ковзання

Мітка часу: 2 лютого 2023 6:07

Ілюстрація, що представляє тертя між кінчиком атомно-силового мікроскопа та графеном
Тертя, що залежить від швидкості. (З дозволу: кафедра фізики Базельського та Шіксельського університетів)

Тертя в атомному масштабі, здається, залежить від швидкості, з якою дві поверхні рухаються одна повз одну. Таку дивовижну поведінку спостерігали, коли кінчик атомно-силового мікроскопа (АСМ) рухався вздовж графенового покриття, і дослідники з університетів Базеля в Швейцарії та Тель-Авіва в Ізраїлі кажуть, що це є результатом гофрування поверхні, спричиненого невідповідністю в структурі решітки графену. . Це відкриття разом із спостереженнями про те, що сила тертя по-різному масштабується в різних режимах швидкості, може мати застосування в таких пристроях, як жорсткі диски та рухомі компоненти супутників або космічних телескопів, які потребують наднизького тертя.

У повсякденних макроскопічних об'єктах тертя або не залежить від швидкості ковзання (згідно із законом Кулона), або лінійно залежить від неї (наприклад, у в'язких середовищах). Однак в атомному масштабі все інакше. У новій роботі команда очолила Ернст Мейєр від Швейцарський інститут нанонаук і Факультет фізики Базельського університету виміряв швидкість, з якою атомно-силовий мікроскоп (АСМ) рухається через шар графену (2D-форма атомів вуглецю, розташованих у стільниковій конфігурації) поверх платинової підкладки.

Надгратки муару

У своєму експерименті, про який вони повідомляють у Нано листиМейєр і його колеги виявили, що графен утворює надструктури, відомі як надгратки муару. Ці структури більше не є повністю плоскими, і тертя, яке вони створюють, масштабується різними способами залежно від режиму швидкості.

Відповідно до атомістичного молекулярно-динамічного моделювання за Одед Ход та Михайло УрбахДослідницькі групи в Тель-Авіві, механізм ефекту походить від деформації на хребтах надгратки муару, коли кінчик АСМ рухається вздовж межі розділу графен/платина. Наконечник викликає пружну деформацію, коли він натискає на гребінь, з подальшим розслабленням гребня після від’єднання від наконечника, коли він ковзає вперед.

За низьких швидкостей сканування АСМ сила тертя невелика і залишається постійною (нагадує макроскопічну поведінку), пояснює Ход. Проте вище певної порогової швидкості вона логарифмічно зростає. «Цей поріг тим нижчий, чим більший розмір муарової надструктури, що дозволяє налаштувати значення кроссовера за допомогою міжфазного кута скручування», — каже Ход.

«Чітке повідомлення для практичного застосування»

«Наші висновки дають чітке повідомлення для практичного застосування», — додає Урбах. «Щоб досягти наднизького тертя за допомогою двовимірних покриттів, їх слід готувати таким чином, щоб створювати дрібні візерунки муару».

Дослідники кажуть, що механізм, який вони спостерігали, також може бути актуальним для полікристалічних матеріалів, у яких присутні межі зерен. Вони планують вивчити їх більш детально в майбутніх роботах. «У цьому випадку в розсіюванні енергії тертя домінує внесок меж зерен», — розповідає Ход. Світ фізики. «Ми маємо намір знайти способи усунення тертя між зернами, наприклад, шляхом дослідження унікальних режимів негативного коефіцієнта тертя, де тертя зменшується із зовнішніми нормальними навантаженнями, на відміну від звичайної фізичної інтуїції».

Часова мітка:

Більше від Світ фізики