Учёные нашли способ управлять силой трения с помощью электричества и давления

Международный научный коллектив под эгидой Университета Цинхуа совершил прорыв, впервые сумев изолировать феномен так называемого электронного трения — тончайшей силы сопротивления, возникающей при взаимодействии поверхностей на атомарном уровне. Исследование доказывает, что интенсивностью этой силы можно гибко управлять с помощью электрического напряжения или полностью нивелировать её посредством механического давления.

Проблема трения остается одной из фундаментальных в инженерном деле: оно провоцирует преждевременный износ компонентов и приводит к колоссальным потерям энергии, преобразующейся в бесполезное тепло. Традиционно для минимизации этих эффектов применяют смазочные материалы и финишную обработку поверхностей, однако даже на идеально гладких структурах происходят энергопотери, обусловленные квантовыми процессами в электронной среде.

В специфических системах атомы скользящей поверхности в процессе движения транслируют часть кинетической энергии электронам сопряженного материала. Возникающее возбуждение носителей заряда создает дополнительное сопротивление — это и есть электронное трение. Его значимость возрастает пропорционально скорости скольжения, однако до настоящего момента выделить его вклад на фоне «фононного» трения (вызванного колебаниями кристаллической решетки) представлялось крайне сложной задачей.

Для решения этой фундаментальной задачи группа под руководством Чжипина Сю разработала уникальную экспериментальную установку. В ней использовались графитовые слои, скользящие по подложкам с различными физическими свойствами — металлическим, полупроводниковым и изоляционным. За счет прецизионного поворота кристаллических решеток относительно друг друга ученые добились состояния структурной сверхсмазки, при котором атомные вибрации практически затухают.

В этой конфигурации удалось почти полностью исключить фононную составляющую и детально изучить вклад электронных эффектов. Серия тестов наглядно продемонстрировала корреляцию электронного трения со скоростью перемещения, геометрией интерфейса и электрофизическими характеристиками материалов.

Исследователи обнаружили, что при увеличении механического сжатия электронные состояния двух контактирующих слоев начинают перекрываться, объединяясь в общую систему. Это резко снижает вероятность электронных возбуждений, позволяя фактически «выключить» данный механизм сопротивления.

Альтернативный метод управления подразумевал подачу электрического напряжения на контактную пару. Это воздействие меняло конфигурацию зарядов на границе разделения сред, что позволяло с высокой точностью варьировать силу сопротивления в режиме реального времени, не прибегая к полной блокировке эффекта.

Ученые уверены, что результаты их работы закладывают основу для создания наноразмерных устройств с динамически регулируемым трением — от микроэлектромеханических систем (МЭМС) до инновационных износостойких покрытий. В долгосрочной перспективе такие технологии позволят кратно увеличить ресурс механизмов и радикально снизить энергетические издержки в миниатюрной технике.

Источник: iXBT