24.10.2012

Раскрыт основной секрет силы трения

Физикам из США и Китая удалось разгадать загадку отрицательного коэффициента трения. Так называют эффект, проявляющийся при работе атомно-силового микроскопа с поверхностью графита, толщина слоя которого составляет размер одного атома. При ослаблении нажатия сканирующего устройства на поверхность сила трения не уменьшается, а, наоборот, увеличивается.

Всем нам известна ситуация с тем, что при большей нагрузке на поверхность увеличивается и трение. Например, когда мы нажимаем пальцем на стол достаточно слабо и проводим при этом по его поверхности, то палец скользит легко. Но стоит нам увеличить давление, и скольжение идет с трудом. Однако то, что является обычным для макромира, в микромире может проявляться совсем не так. Это относится и к вышеупомянутой зависимости трения от силы нажатия.

Ученым давно известен один парадокс — если нажать кантилевером (механическим микрозондом, который, собственно говоря, и сканирует поверхность) атомно-силового микроскопа на графитовую поверхность, то эффект будет прямо противоположным тому, что наблюдают при нажатии на стол пальцем. То есть, чем слабее вы будете давить, тем сильнее будет трение. Но почему же так происходит?

Конечно же, нечто подобное наблюдалось и раньше. Все, кто работал с атомными микроскопами, знают, что трение может периодически варьироваться по мере того, как кантилевер двигается по поверхности кристаллической решетки. При этом коэффициент трения (то есть скорость изменения этой силы в зависимости от нагрузки на поверхность) может нелинейно меняться, однако падение трения с ростом нажатия, или, если выражаться научно, ситуация с отрицательным коэффициентом трения, прежде никогда не наблюдалось.

Долгое время физики не понимали, почему дело обстоит именно так. Однако недавно ученые из Национального института стандартов и технологий (США) и Университета Цинхуа (КНР), а именно — Рейчел Каннара и Дэн Чжао, смогли разгадать данную загадку. Причем, как это часто бывает, совершенно случайно.

Все началось с того, что Дэн Чжао измерял коэффициент трения между алмазной частью острия кантилевера микроскопа и графитовой поверхностью. Это, в общем-то, достаточно обычное исследование, которое проводят новички — студенты и аспиранты. И вот, занимаясь этой рутиной, г-н Дэн вдруг обнаружил, что при увеличении нагрузки и трение сначала возрастает, однако при последующем уменьшении оно не уменьшается. Наоборот, при снижении давления сила трения продолжает расти! Более того, Дэн Чжао зафиксировал, что после первого измерения рост трения был систематическим: оно все росло и росло по мере снижения нагрузки, вплоть до момента полного расцепления острия кантилевера и графита.

Не понимая, в чем дело, исследователь обратился к своим старшим коллегам, которые, поразмыслив, выдвинули интересную гипотезу. Уже давно известно, что чем тоньше графитовый слой, тем выше трение на его поверхности. Поэтому не исключено, что когда исследователь имеет дело со слоем толщиной всего лишь в несколько атомов, его межатомные взаимодействия с кантилевером заставляют последние в точке контакта "прилипать" к острию.

Это приводит к тому, что при снижении нагрузки это самое острие кантилевера слегка поднимается. Однако, поскольку атомы уже налипли на него, получается, что, двигаясь, кантилевер увлекает за собой и графит. Это очень похоже на прилипание мокрого снега к полозьям саней — чем дальше они едут, тем сильнее облепляются полозья, поскольку масса снега увлекается за санями. Совершенно очевидно, что в такой ситуации трение будет расти, ведь острие тянет за собой все больше и больше графитовых атомов, намертво прилипших к ней. Лишь когда острие убирается полностью, графит возвращается к первоначальному положению.

После того как предположение было выдвинуто, ученые проверили его: они построили компьютерную модель, которая показала, что именно так все и происходит. Более того, стало понятно, что подобная закономерность характерна не только для графита. В принципе, она справедлива для любых материалов, образующих слои, по толщине сравнимые с размерами атома. Получается, что если сначала надавить на их поверхность сильно, а потом снижать давление, то трение всегда будет возрастать, поскольку налипшие на поверхность нажимающего устройства атомы будут тормозить его продвижение.

Интересно, что это открытие, которое на первый взгляд имеет чисто теоретическое значение, на самом деле может быть использовано при проектировании микроэлектромеханических устройств, где минимизация трения особенно важна. Ведь при таких ничтожных размерах величина силы трения по сравнению с действующими в механизме силами возрастает и в конце концов становится весьма значительной. Однако, в отличие от макромеханизмов, там она не может быть уменьшена с помощью обычных смазок. Следовательно, для того чтобы уменьшить силу трения, нужны совсем другие меры.

Но перед тем как предложить способ борьбы со зловредным трением, нужно просто понять, как действует эта сила для таких маленьких масштабов. Так что открытие г-на Дэна и его коллег является большим прорывом в этой области исследований. Теперь по крайней мере ясно, что от силы нажатия тут ничего не зависит.

Антон Евсеев

Источники:

1. ПРАВДА.Ру