Триене: надраскване в атомна скала

Триенето и износването са ежедневни явления с огромно техническо значение. Триенето води до загуби на енергия, тъй като насочената кинетична енергия се превръща в топлина, а износването ограничава експлоатационния живот на всички механични устройства, от двигателите на автомобилите до твърдите дискове в компютрите. Следователно изследванията върху тези явления имат дълга история. Това вече е документирано от снимки на конструкцията на пирамидата от империята на фараоните: За да се намали триенето на големи транспортни шейни, древните египтяни навлажняваха пясъчните пътеки.

Универсалният гений Леонардо да Винчи (14521519) за първи път определя физическите закони на триенето. Те обаче не бяха публикувани и трябваше да бъдат преоткрити от френския физик Гийом Амонтонс в края на 17 век. Шарл-Августин де Кулон направи първите стъпки в търсенето на микроскопичните причини за триене, включително микроскопичната грапавост на повърхността в своите съображения. Всъщност триенето между две тела се определя от образуването, изместването и разрушаването на голям брой малки отделни контакти.

След въвеждането на атомно-силовата микроскопия тези процеси вече могат да се наблюдават директно. Точно както иглата на плейър чете симфония от геометрията на жлебовете на запис, върхът на силовия микроскоп може да усети атомната структура на повърхността. Това води до това, което е известно като поведение на приплъзване: ако върхът на микроскопа е внимателно издърпан върху плоска кристална повърхност, той остава заклещен в атомно положение (пръчка), докато силата на опън надвиши праговата стойност; след това скача към следващото такова положение (приплъзване). Триенето се променя с периодичността на атомната решетка, която може да бъде картографирана по този начин.

Как се генерира фрикционна топлина

Вярно е, че това не е истинска атомна разделителна способност, тъй като контактът между върха и пробата се състои не само от един, но от много атоми. Независимо от това, експериментите с триене показват структурата на атомната решетка. Сравнението може да изясни причината: Можете също така да определите периодичността на кашон за яйца, като внимателно преместите друг върху него.

Поведението при плъзгане по никакъв начин не е ограничено до микрокосмоса. Това се случва и в нашия макроскопичен ежедневен свят, например с пищяща спирачка, която стои здраво върху джантата, докато силата на колелото продължи да се върти, стане твърде голяма и я избута малко по-нататък и т.н. Ние възприемаме честотата на повторението на този процес като звукова вълна.

Следователно изучаването на триенето в атомна скала в никакъв случай не представлява само академичен интерес. Това показаха и първите ни експерименти с метални повърхности. Съгласно това атомното триене и износване са от решаващо значение за подравняването на повърхността към кристалната решетка. Само когато например меден кристал беше изрязан успоредно на кристалната равнина, в която атомите са най-плътно опаковани, бихме могли да измерим поведение на атомно приплъзване без износване. На други повърхности на същия кристал, от друга страна, имаше незабавно отстраняване на тежки материали и неравномерни скокове на силата на триене в атомен мащаб.

Основен въпрос е как точно се генерира топлина по време на процеса на триене. Успяхме да определим получената енергийна загуба директно със силовия микроскоп: тя се получава от произведението на измерената сила на триене и пътя на върха. Както установихме, енергията обикновено се губи по време на процеса на приплъзване. Човек може ясно да си представи, че върхът дърпа повърхностните атоми, по които се плъзга бързо. Тяхното движение се прехвърля много бързо към всички съседни атоми и се губи при решетъчни вибрации, т.е. в топлина.

Износването може да се изследва и в атомни размери със силовия микроскоп. За това трябва само да се увеличи достатъчно налягането на върха; в един момент ще надраска атоми от повърхността.

Ние разгледахме този начален етап на износване на кристал калиев бромид по-подробно. За да направим това, първо надраскахме драскотина няколко атомни слоя дълбоко в повърхността с относително високо ниво на сила и след това я растрирахме с малко натиск. По този начин успяхме да покажем не само топографията на повредената зона, но и нейната атомна структура благодарение на поведението на приплъзване. За да сведем до минимум външните влияния като влажност, проведохме експериментите във вакуумна камера.

За наше учудване аблатните атоми по никакъв начин не бяха разположени произволно около драскотината, а образуваха могили от подредени слоеве, които се бяха адаптирали идеално към кристалната основа. Очевидно те се движат по повърхността, докато се върнат в нормално положение в кристалната решетка, въпреки че върхът на атомно-силовия микроскоп може да подпомогне тази промяна. Това ново откритие е важно за опитите да се симулира процесът на износване. Подходящите модели трябва да вземат предвид, че аблатните атоми кристализират отново почти веднага и по този начин възвръщат определена сила.

Износване срещу триене

Когато настъпи износване, колко от кинетичната енергия тя консумира в сравнение с триенето? Това може да се определи и със силовия микроскоп. Всичко, което трябва да направите, е да измерите точно топографията на драскотината. Резултатът разкрива колко атоми са били освободени от кристала. Сумата от техните енергии на свързване спрямо общата използвана енергия, получена в резултат на измерванията на силата, осигурява пропорцията, която се дължи на износването. Както разбрахме, повече от две трети от енергията незабавно се превръща в топлина чрез триене и само една трета се използва за разбиване на кристала.

Нашите изследвания на загубите на енергия и модификацията на повърхността в атомната скала със сигурност ще помогнат за по-доброто разбиране на триенето и износването и на макроскопично ниво. В крайна сметка и двата свята често са тясно свързани. Износването на буталата на съвременните двигатели е от порядъка на един нанометър на час, което съответства на няколко атомни слоя. Защитният слой на магнитните дискове за съхранение е дебел само няколко нанометра, така че да не възпрепятства отчитането на битовете с най-висока разделителна способност. Изтриването, причинено от неволен контакт с четящата глава, е един от централните технологични проблеми при разработването на твърди дискове.

Но нашите резултати също могат да станат важни за нанонауките. Възможно е да се наблюдава прекристализация на изместените атоми много по-лесно за нанотехнолозите да конструират малките структури и устройства, към които се стремят.