Подряпини тертям на атомній шкалі - науковий спектр

Тертя: дряпання в атомному масштабі

Тертя та знос - повсякденні явища, що мають величезне технічне значення. Тертя призводить до втрат енергії, оскільки спрямована кінетична енергія перетворюється в тепло, а знос обмежує термін служби всіх механічних пристроїв, починаючи від автомобільних двигунів і закінчуючи жорсткими дисками в комп'ютерах. Тому дослідження цих явищ має давню історію. Це вже задокументовано фотографіями побудови піраміди з імперії фараона: щоб зменшити тертя великих транспортних санок, древні єгиптяни зволожували піщані стежки.

Універсальний геній Леонардо да Вінчі (14521519) вперше виклав фізичні закони тертя. Однак вони не були опубліковані, і їх довелося наново відкрити французькому фізику Гійому Амонтону наприкінці 17 століття. Шарль-Огюстен де Кулон зробив перші кроки у пошуку мікроскопічних причин тертя, включаючи в свої міркування мікроскопічну шорсткість поверхні. Насправді тертя між двома тілами визначається утворенням, переміщенням і руйнуванням великої кількості крихітних окремих контактів.

З моменту запровадження атомно-силової мікроскопії ці процеси тепер можна спостерігати безпосередньо. Подібно до того, як голка програвача запису читає симфонію з геометрії канавок на платівці, кінчик силового мікроскопа може відчувати атомну структуру поверхні. Це призводить до того, що називається поведінкою ковзання: якщо кінчик мікроскопа обережно натягнути на плоску кристалічну поверхню, він залишається застряглим у атомному положенні (палиці), поки сила розтягування не перевищить порогове значення; потім він переходить у наступне таке положення (ковзання). Тертя змінюється з періодичністю атомної решітки, яку можна відобразити таким чином.

Як генерується тепло тертя

Це правда, що це не справжня атомна роздільна здатність, оскільки контакт між кінчиком і зразком складається не просто з одного, а з багатьох атомів. Тим не менше, експерименти тертя показують структуру атомної решітки. Порівняння може пояснити причину: Ви також можете визначити періодичність коробки для яєць, обережно пересуваючи іншу поверх неї.

Поведінка при ковзанні ні в якому разі не обмежується мікросвітом. Це також трапляється у нашому макроскопічному повсякденному світі, наприклад, із скрипучим гальмом, яке міцно сидить на ободі, доки сила колеса не продовжує обертатися, стає занадто великою і штовхає її трохи далі тощо. Ми сприймаємо частоту повторення цього процесу як звукову хвилю.

Отже, вивчення тертя в атомних масштабах аж ніяк не лише академічно цікавить. Це також показали наші перші експерименти з металевими поверхнями. Відповідно до цього, тертя та знос атома вирішально залежать від вирівнювання поверхні до кристалічної решітки. Тільки якщо, наприклад, кристал міді був вирізаний паралельно кристалічній площині, в якій атоми найбільш щільно упаковані, ми могли б виміряти поведінку ковзання атома без зносу. На інших поверхнях того ж кристала, з іншого боку, відбулося негайне видалення важкого матеріалу та нерегулярні стрибки сили тертя в атомному масштабі.

Центральне питання полягає в тому, як саме генерується тепло в процесі тертя. Нам вдалося визначити отримані втрати енергії безпосередньо за допомогою силового мікроскопа: це результат добутку виміряної сили тертя та шляху кінчика. Як ми виявили, енергія зазвичай втрачається в процесі ковзання. Можна чітко уявити, що кінчик тягне за поверхневі атоми, по яких він швидко ковзає. Їх рух дуже швидко передається всім сусіднім атомам і втрачається в коливаннях решітки, тобто в теплі.

Знос також можна дослідити в атомних розмірах за допомогою силового мікроскопа. Для цього потрібно лише достатньо збільшити тиск наконечника; в якийсь момент він буде дряпати атоми з поверхні.

Ми більш детально розглянули цей початковий етап зносу кристала бромістого калію. Для цього ми спочатку подряпали подряпину на кілька атомних шарів глибоко в поверхню з відносно високим рівнем сили, а потім растеризували її з невеликим контактним тиском. Таким чином, ми змогли продемонструвати не тільки топографію пошкодженої ділянки, але й її атомну структуру завдяки поведінці ковзання. Для мінімізації зовнішніх впливів, таких як вологість, ми проводили експерименти у вакуумній камері.

На наш подив, аблятовані атоми аж ніяк не були випадково розташовані навколо подряпини, а утворювали насипи впорядкованих шарів, які ідеально пристосувались до кристалічної основи. Очевидно, вони рухаються вздовж поверхні, поки не повернуться у звичайне положення в кристалічній решітці, завдяки чому кінчик атомно-силового мікроскопа може сприяти цьому зрушенню. Ця нова знахідка важлива для спроб імітувати процес зношування. Відповідні моделі повинні враховувати, що аблятовані атоми знову кристалізуються майже відразу і, таким чином, відновлюють певну міцність.

Знос проти тертя

Коли виникає знос, скільки кінетичної енергії вона споживає порівняно з тертям? Це також можна визначити за допомогою силового мікроскопа. Все, що вам потрібно зробити, це точно виміряти топографію подряпини. Результат показує, скільки атомів було виділено з кристала. Сума їх енергій зв'язку відносно загальної енергії, яка використовується в результаті вимірювань зусиль, забезпечує пропорцію, яка припадає на знос. Як ми з'ясували, більше двох третин енергії миттєво перетворюється в тепло за рахунок тертя, і лише одна третина використовується для розбиття кристала.

Наші дослідження втрат енергії та модифікації поверхні в атомному масштабі, безумовно, допоможуть краще зрозуміти тертя та знос і на макроскопічному рівні. Зрештою, обидва світи часто тісно пов’язані. Знос поршнів сучасних двигунів знаходиться в межах одного нанометра на годину, що відповідає кільком атомним шарам. Захисний шар на магнітних накопичувальних дисках має товщину всього в кілька нанометрів, щоб він не перешкоджав зчитуванню бітів з найвищою роздільною здатністю. Потертості, спричинені мимовільним контактом з головкою зчитування, є однією з центральних технологічних проблем у розробці жорстких дисків.

Але наші результати також можуть стати важливими для нанонаук. Можливо, що спостерігається перекристалізація переміщених атомів значно полегшить нанотехнологам побудову крихітних конструкцій та пристроїв, для яких вони прагнуть.