Физики подтвердили «эффект наносанок»

Группа исследователей из Германии и США продемонстрировала на практике ранее предсказанный теоретиками эффект уменьшения силы трения при переходе к нанообъектам. Подробности приводит Physics со ссылкой на публикацию ученых в журнале Physical Review Letters.

Физики работали с наночастицами из золота и сурьмы. Их перемещали по графитовой плоскости иглой атомного силового микроскопа со скоростью один микрометр в секунду и регистрировали возникающие при этом силы. Ученые обнаружили, что классическое описание силы трения при переходе к наномасштабам перестает работать. Трение уже не пропорционально площади объекта и, сверх того, может зависеть от ориентации кристаллических решеток.

Этот эффект можно уподобить перемещению саней по неровной поверхности. Если полозья достаточно длинные, то небольшие неровности на дороге перестают оказывать эффект на движение. В случае с наночастицами роль неровностей играют периодические «провалы» кристаллической решетки. Если все атомы скользящего объекта оказываются над атомами поверхности, сила сцепления образцов резко возрастает, а если большая часть атомов оказывается на большем расстоянии, то сила трения уменьшается. Частица, которая может «провалиться» в зазор кристаллической решетки, застревает на месте, а группа из нескольких таких частиц успешно преодолевает подобные препятствия. Если сделать поверхность еще больше, это уже не дает выигрыша. Трение начнет снова расти вместе с ростом площади контакта с поверхностью, причем поначалу этот рост будет нелинейным.

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.

Для макроскопических объектов действует два закона Амонтона-Кулона. Первый гласит, что трение пропорционально силе реакции опоры и он работает в большинстве случаев. Согласно второму закону трение не зависит от площади опоры, но это верно лишь для случая сухого трения. В ряде случаев правильнее использовать закономерность, определенную для случая вязкого трения, которое пропорционально площади.