Forskere løser det spændende fænomen med supersmøring og formulerer dets love

Skoltech-forskere har forklaret, hvorfor meget svag friktion adlyder andre love end dem, der styrer regulær friktion, som vi kender det fra skolens fysik. Blandt andre uventede og kontraintuitive træk afslører de alternative friktionslove, der er formuleret af teamet, hvorfor øget vægt af en krop, der glider langs en overflade, ikke nødvendigvis forårsager større friktion.

At forstå, hvordan friktion fungerer på mikroskopisk niveau, kan bane vejen for at kontrollere og udnytte ultralav friktion i adskillige mekanismer, der ville spare enorme mængder energi på verdensplan. Forskerne rapporterer deres resultater i Physical Review Letters .

Til en vis grad har alle en intuitiv sans for den såkaldte Amontons-Coulomb friktionslov, hvis manifestationer vi rutinemæssigt observerer i hverdagen. Den blev formuleret for mere end 300 år siden og siger, at friktion, der for eksempel opstår, når du trækker en tung krop hen over jorden, stiger med kroppens vægt. De to værdier – friktionskraften og kroppens vægt – siges at være direkte proportionale med hinanden.

"Overraskende nok gælder denne lov ikke for supersmøreevne, tilfældet med ekstremt lav friktion," siger Skoltech-professor Nikolay Brilliantov, hovedforsker af undersøgelsen.

"Superlubric friktion, som er størrelsesordener mindre end konventionel friktion, afhænger ikke af kroppens vægt, for at sige det i enkle vendinger. Du kan øge kroppens vægt tusindvis af gange - f.eks. fra et kilogram til et par tons — men friktionen vil ikke ændre sig, forbliver så lille som for 1 kilogram Dette fænomen er virkelig spændende og kræver en forklaring."

Der er et par andre overraskende træk ved supersmøreevne, såsom friktionskraftens usædvanlige afhængighed af glidehastighed, temperatur og kontaktareal – alt dette er i modstrid med de konventionelle Amontons-Coulomb love.

Et team af forskere fra Skoltech ledet af Brilliantov har løst gåden med supersmøring. De udførte et komplekst studie med eksperimenter udført af professor Albert Nasibulins gruppe, numeriske simuleringer drevet af forsker Alexey Tsukanov fra Brilliantovs gruppe og den teoretiske konceptualisering af fænomenet, som Brilliantov selv leverede.

Holdet forklarede den atomistiske mekanisme bag den forvirrende uafhængighed af friktionskraften fra det glidende legemes vægt (fra den "normale belastning" i videnskabelige termer) og formulerede alternative friktionslove for supersmøreevne. De beskriver fænomenet godt, men står i skarp kontrast til Amontons-Coulomb-lovene.

Enkelt sagt kan de forvirrende effekter forklares som følger. Supersmøreevne er forbundet med overflader, der er meget glatte, ned til atomniveau - som overfladen af ​​det kulstofbaserede materiale grafen. Desuden bør kontakten mellem de to overflader være uforholdsmæssig. Det betyder, at ruheden på atomniveau (også kaldet korrugering) af de to overflader ikke bør være indbyrdes sammenhængende.

Med andre ord bør den ene overflades potentielle "bakker" ikke passe ind i den andens potentielle "brønde". Hvis "bakkerne" og "brøndene" passer, låser de to overflader sammen, og der skal en betydelig kraft til for at få dem til at glide. Upassende overflader låser derimod ikke, og glider derfor let.

Alligevel kan der opstå friktion på grund af termiske udsving. Fluktuationerne uden for planet af overfladerne ved kontakt øger mærkbart deres ruhed på atomniveau, hvilket hindrer den relative bevægelse af de to overflader.

Skoltech-forskerne viste dog, at ikke alle termiske udsving er vigtige - kun dem, der er synkroniserede, når de to overflader bøjes samtidigt, mens de forbliver i tæt kontakt. Sådanne udsving kræver minimal energi og afhænger ikke af den normale belastning, dvs. vægten af ​​det glidende legeme. Dette forklarer, hvorfor friktionen er uafhængig af vægten. Ydermere driver den relative glidning af overfladerne disse synkrone fluktuationer - "overfladerynkerne" - i bevægelsesretningen med glidehastigheden.

Sådan kørsel kræver energi, som spreder sig i hovedparten af ​​materialet som varme, hvilket resulterer i en dissipativ friktionskraft proportional med hastigheden.

Jo større overfladernes temperatur er, jo større er amplituden af ​​de synkrone udsving. Jo større kontaktarealet er, jo større er antallet af overfladeudsving, der hindrer relativ bevægelse. Kvantitativ analyse af disse effekter giver de respektive love for supersmøreevne, der er rapporteret i papiret.

Flere oplysninger: Nikolay V. Brilliantov et al., Atomistic Mechanism of Friction-Force Independence on the Normal Load and Other Friction Laws for Dynamic Structural Superlubricity, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.266201

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Skolkovo Institute of Science and Technology