Теперь, используя мощное компьютерное моделирование, исследователи из Массачусетского технологического института и других организаций добились значительных успехов в понимании этого процесса, в том числе в том, почему трение изменяется, когда объект, скользящий по нему, движется вперед, вместо того, чтобы оставаться постоянным, как это происходит с большинством других известных материалов.
Результаты представлены на этой неделе в журнале Nature, в статье Джу Ли, профессора ядерных наук и инженерии, материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, а также семи других ученых из Массачусетского технологического института, Пенсильванского университета и университетов Китая и Германии.
Графит, объемный материал, состоящий из многих слоев графена, представляет собой хорошо известную твердую смазку. (Другими словами, как и масло, его можно добавлять между контактирующими материалами, чтобы уменьшить трение.Недавние исследования показывают, что даже один или несколько слоев графена также могут обеспечить эффективную смазку. Это может быть использовано в малогабаритных тепловых и электрических контактах и других наноразмерных устройствах.
В таких случаях понимание трения между двумя частями графена или между графеном и другим материалом важно для поддержания хорошего электрического, теплового и механического соединения. Ранее исследователи обнаружили, что, хотя один слой графена на поверхности снижает трение, наличие нескольких других было даже лучше. Однако, по словам Ли, причина этого не была объяснена ранее.
«В трибологии существует широкое представление о том, что трение зависит от истинной площади контакта», — говорит Ли, то есть площади, где два материала действительно контактируют, вплоть до атомного уровня. «Истинная» площадь контакта часто значительно меньше, чем она могла бы казаться, если бы наблюдалась в больших масштабах.
Определение истинной площади контакта важно для понимания не только степени трения между деталями, но и других характеристик, таких как электрическая проводимость или теплопередача.
Например, объясняет соавтор Роберт Карпик из Университета Пенсильвании: «Когда две части в машине соприкасаются, как два зуба стальной шестерни, фактическое количество стали в контакте намного меньше, чем кажется, потому что зубья шестерни грубые, и контакт происходит только в самых верхних выступающих точках на поверхностях. Если бы поверхности были отполированы, чтобы они были более плоскими, чтобы площадь соприкосновения в два раза больше, трение было бы в два раза больше.
Другими словами, сила трения увеличивается вдвое, если истинная площадь прямого контакта увеличивается вдвое."
Но оказывается, что ситуация даже сложнее, чем думали ученые.
Ли и его коллеги обнаружили, что есть и другие аспекты контакта, которые влияют на то, как сила трения передается через него. «Мы называем это качеством контакта, в отличие от количества контактов, измеряемого площадью« истинного контакта », — объясняет Ли.
Экспериментальные наблюдения показали, что когда наноразмерный объект скользит по единственному слою графена, сила трения сначала увеличивается, а затем в конечном итоге выравнивается. Этот эффект уменьшается, и выравнивающаяся сила трения уменьшается при скольжении по все большему количеству листов графена. Это явление также наблюдалось в других слоистых материалах, включая дисульфид молибдена.
Предыдущие попытки объяснить эту вариацию трения, не наблюдаемую ни в чем другом, кроме этих двухмерных материалов, не увенчались успехом.
Чтобы определить качество контакта, необходимо знать точное положение каждого атома на каждой из двух поверхностей. Качество контакта зависит от того, насколько хорошо выровнены атомные конфигурации на двух контактирующих поверхностях, и от синхронности этих выравниваний. Согласно компьютерному моделированию, эти факторы оказались более важными, чем традиционная мера при объяснении фрикционного поведения материалов.
«Вы не можете объяснить увеличение трения», поскольку материал начинает скользить «только площадью контакта», — говорит Ли. "Большая часть изменения трения на самом деле связана с изменением качества контакта, а не с истинной площадью контакта."Исследователи обнаружили, что акт скольжения заставляет атомы графена лучше контактировать со скользящим по нему объектом; это повышение качества контакта приводит к увеличению трения по мере скольжения и в конечном итоге выравнивается. Эффект сильный для одного слоя графена, потому что графен настолько гибкий, что атомы могут перемещаться в места, лучше контактирующие с острием.
По словам Ли, на качество контакта может влиять ряд факторов, в том числе жесткость поверхностей, небольшие искривления и молекулы газа, которые попадают между двумя твердыми слоями.
Но, понимая, как работает процесс, инженеры теперь могут предпринять определенные шаги, чтобы изменить это фрикционное поведение, чтобы оно соответствовало конкретному предполагаемому использованию материала. Например, «сморщивание» графенового материала может придать ему большую гибкость и улучшить качество контакта. «Мы можем использовать это, чтобы изменить трение в три раза, в то время как истинная площадь контакта практически не меняется», — говорит он.
«Другими словами, не только сам материал» определяет, как он скользит, но также и его граничные условия, включая то, является ли он рыхлым и морщинистым или плоским и сильно растянутым, — говорит он. И эти принципы применимы не только к графену, но и к другим двумерным материалам, таким как дисульфид молибдена, нитрид бора или другим одноатомным или одномолекулярным материалам.
«Потенциально подвижный механический контакт может быть использован как способ сделать очень хорошие переключатели мощности в небольших электронных устройствах», — говорит Ли. Но до этого еще далеко; в то время как графен является многообещающим материалом, который широко изучается, «мы все еще ждем взлета графеновой электроники и двумерной электроники. Это новая область."
«Исследователи изучали уникальное фрикционное поведение графена в течение многих лет, но сложные механизмы, лежащие в основе этих наблюдений, до сих пор полностью не изучены», — говорит Эшли Мартини, доцент инженерных наук Калифорнийского университета в Мерседе, который не участвовал в исследованиях. эта работа. «Эта статья решает эту проблему и дает новое понимание происхождения трения о графене, которое, как я ожидаю, будет применимо к двумерным материалам в целом."
Мартини добавляет: «Авторы статьи правильно предполагают, что их работа может быть использована в качестве основы для« настройки »трения на графене. На самом деле реализация этой настройки имеет потенциал для значительного воздействия, и следующим захватывающим шагом, основанным на этом исследовании, будет реализация предложенной настройки в качестве первого шага к контролируемому трению в научных и инженерных приложениях."