Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаСкользкая наука: раскрываем секреты сверхсмазывающей способности для энергоэффективности

Скользкая наука: раскрываем секреты сверхсмазывающей способности для энергоэффективности

- Advertisement -

Исследователи сделали новаторские открытия в области сверхсмазывающей способности, продемонстрировав, как это состояние минимального трения может революционизировать энергоэффективность в механических системах. Их работа показывает, что трение в сверхсмазывающей способности бросает вызов традиционным законам, предлагая многообещающие применения для снижения глобального потребления энергии. Фото: SciTechDaily.com

Ученые под руководством Университета Лестера выяснили сверхсмазывающую способность, при которой поверхности испытывают чрезвычайно низкий уровень трения.

В то время как многие из нас движутся осторожно, чтобы не поскользнуться в морозную погоду, ученые под руководством Университета Лестера исследуют, как сделать поверхности еще более скользкими!

Они решили загадку принципов сверхсмазывающей способности – состояния, при котором две поверхности практически не испытывают трения при скольжении друг по другу. Свои выводы они опубликовали в статье для журнала. Письма о физических отзывах.

Понимание сверхсмазывающей способности

Суперсмазывающая способность связана с молекулярно-гладкими поверхностями, такими как графен и наблюдался только в лабораторных условиях, где эти поверхности синтезируются в нано- и микронных масштабах. Он выглядит очень перспективным для технологических приложений, где потенциально может снизить трение в 1000–10 000 раз по сравнению с обычным трением в машинах и механизмах.

Большинство людей интуитивно знают, что трение – сопротивление объекта скольжению – больше для более тяжелых объектов, чем для более легких. Это также известно как закон трения Амонтона-Кулона, сформулированный более 300 лет назад.

Однако это не относится к сверхсмазывающей способности. Это явление в десятки тысяч раз меньше, чем обычное трение, и сила трения не зависит от веса объекта. Другими словами, увеличение веса тела с граммов до десятков килограммов не изменит уровень силы трения.

Иллюстрация установки для численных экспериментов in silico (МД-моделирование). Наконечник Cu, покрытый слоем графена (красный), скользит по подложке Cu, покрытой другим слоем графена (синий). Предоставлено: Университет Лестера.

Новые открытия в области трения

Но международная группа ученых под руководством профессора Николая Бриллиантова из Университета Лестера обнаружила, что «синхронные» колебания поверхностей объектов, вызванные случайными колебаниями поверхностных атомов, приводят к трению. Такие колебания существуют при любой температуре, отличной от нуля, и их интенсивность уменьшается с понижением температуры. Это означает, что за счет снижения температуры поверхности эффект трения можно еще больше снизить.

Профессор Бриллиантов из Школы вычислительных и математических наук Лестера сказал: «Такая разительная разница с обычным трением интригует и требует объяснения. Есть и другие удивительные особенности сверхсмазывающей способности, такие как необычная зависимость силы трения от скорости скольжения, температуры и площади контакта. Все эти зависимости противоположны тем, которые предсказывают традиционные законы Амонтона-Кулона.

«Объяснение загадочного поведения сверхсмазывающей способности поможет контролировать сверхнизкое трение, что может открыть захватывающие горизонты ее промышленного применения».

Методы исследования и результаты

Чтобы исследовать принципы сверхсмазывающей способности, был создан контакт двух молекулярных гладких поверхностей — иглы, скользящие по подложке, покрытой слоем графена, — и измерена сила трения с помощью боковой силовой микроскопии. Они также провели полномасштабные численные эксперименты «in silico», используя моделирование молекулярной динамики, чтобы создать очень реалистичную модель реального явления.

Две поверхности должны быть несоизмеримы, а это означает, что потенциальные «холмы» в молекулярной структуре одной поверхности не должны соответствовать потенциальным «ямам» другой поверхности. Поверхности подобны двум сложенным вместе ящикам для яиц: если они соприкоснутся друг с другом, они зафиксируются, и для скольжения потребуется больше силы.

Если температура поверхностей не равна нулю, возникает сила трения за счет гофрирования поверхности, вызванного тепловыми колебаниями. Ученые продемонстрировали, что за трение ответственны «синхронные» тепловые колебания, когда две поверхности одновременно сгибаются, оставаясь в плотном контакте. Чем выше температура поверхностей, тем больше амплитуда синхронных колебаний; чем больше площадь контакта, тем больше колебаний поверхности, препятствующих относительному движению.

Будущие последствия

Профессор Бриллиантов добавляет: «Мы смогли объяснить атомистический механизм загадочной независимости силы трения от веса тела и сформулировали новые законы трения для сверхсмазывающей способности. Эти законы, хотя и резко контрастируют с законами Амонтона-Кулона, достаточно хорошо описывают это явление.

«Как только будут созданы молекулярные слои с гладкой поверхностью размером в миллиметры или сантиметры, все движущиеся, вращающиеся, колеблющиеся контакты в машинах и механизмах будут покрыты такими поверхностными слоями. Это резко снизит потребление энергии во всем мире. Для дальнейшего снижения энергопотребления самые большие контакты, возможно, будут храниться при низких температурах».

Ссылка: «Атомистический механизм независимости силы трения от нормальной нагрузки и другие законы трения для динамической структурной сверхсмазывающей способности», автор: Николай В. Бриллиантов, Алексей А. Цуканов, Артем К. Гребенко, Альберт Г. Насибулин и Игорь А. Останин, 26 декабрь 2023 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.266201.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме