Friktion forsvinder næsten i mikroskala grafit

(Phys.org) - I fænomenet superlubricitet, to faste overflader kan glide forbi hinanden næsten uden friktion. Virkningen opstår, når de faste overflader har krystallinske strukturer, og deres gitter roteres på en sådan måde, at friktionskraften fjernes. Lidt som at stable to æggekartoner, hvis gitterene er justeret, de låser sig fast til hinanden, og det er svært at glide den ene over den anden. Men drej en æggekarton lidt, og den låser ikke længere på denne måde.

Forskere observerede første gang superlubricitet i grafit i 2004, og hidtil er alle eksperimentelle beviser for superlubricitet blevet indhentet på nanoskalaen og under vakuumforhold. Tidligere forskning forudsagde endda, at superlubricitet bryder sammen på større skalaer. Men nu i en ny undersøgelse, forskere har vist, at superlubricitet i grafit kan forekomme over mikroskalaområder og under omgivelsesbetingelser, som kunne åbne vejen mod praktiske anvendelser i mikromekaniske systemer.

Forskerne, ledet af Quanshui Zheng fra Tsinghua University i Beijing og Nanchang University i Nanchang, Kina, og Jefferson Zhe Liu fra Monash University i Clayton, Australien, har offentliggjort deres papir om mikroskala -superlubricitet i grafit i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

"Vi leverer beviser for superlubricitet i en meget større skala end tidligere - mikro snarere end nano - og effekten vedvarer selv under omgivende forhold, ”Fortalte Zheng Phys.org . “Vi var ikke klar over det tidligere arbejde, der forudsagde nedbrydning af effekten på det tidspunkt, hvor de første målinger blev foretaget - måske var det heldigt, da det ikke afskrækkede os fra at prøve! ”

Den mest enkle måde at observere superlubricitet er, når to faste overflader glider forbi hinanden. I den aktuelle undersøgelse, forskerne udviklede en ny måde at undersøge superlubricitet ved at bruge en wolframmikrotip til at skære flager fra grafitplader, eller "mesas." Efter frigivelse af klipning, nogle af flagerne vender spontant tilbage til deres oprindelige positioner på mesas, og denne proces med klipning og selvtrækning kan gentages igen og igen.

Forskerne forklarede, at selv-tilbagetrækningen skyldes ultralav friktion, der opstår mellem flagerne og mesa-overfladerne, når de orienteres i en snoet, eller uhensigtsmæssig, vej.

Selvom selvtrækkende flager vendte tilbage til deres samme positioner og orienteringer som før klipning, forskerne kunne bevidst rotere klipede flager, før de slippes for at skabe en passende orientering, der resulterede i fastlåste tilstande, hvorunder flagerne ikke udviste selvtrækning. Disse fastlåste tilstande forekommer i nogle specifikke orienteringer, der udviser en 6-fold symmetri, men selvtrækning forekom stadig, da mesas blev klippet i alle andre retninger.

Ved undersøgelse af de flager, der ikke trak sig selv tilbage, forskerne fandt pludselige variationer i farven på de klippede flager, mens farven på selvtrækkende flager var ensartet. De tror, ​​at farvevariationen opstår på grund af optisk interferens som følge af tykkelsesvariationer i grafitmesaerne. Større mesas har større tykkelsesvariationer, samt en mindre sandsynlighed for at udvise selvtrækning.

Som det første tegn på reproducerbar superlubricitet på mikronskalaen, og selv under omgivelsesbetingelser, resultaterne kunne vise sig mere nyttige til applikationer end superlubricitet på nanoskalaen. På nanoskala, at opnå superlubricitet kræver komplekse opsætninger og prøveforberedelse, og effekten kan let undertrykkes af forskellige mekanismer, der forårsager vridning og låsning. Den nye måde at producere superlubricitet på mikroskalaen overvinder mange af disse barrierer, og kunne bruges til at begrænse friktion og slid i mikromekaniske systemer.

”Der er mange mikromekaniske enheder - for eksempel bevægelsessensorer, radiofrekvensgeneratorer, gyroskoper - hvor den relative bevægelse af to dele er vigtig, ”Sagde Liu. "Superlubricity åbner en ny vej til at skabe sådanne enheder."

Forskerne planlægger yderligere at undersøge omfanget af superlubricitet i fremtiden.

”Vi arbejder allerede på flere fronter:at studere den superlbriske bevægelse mere detaljeret, at undersøge udvidelserne af dette til både større og mindre skalaer, og for at studere den langsigtede robusthed af effekten under forskellige fysiske forhold, ”Sagde medforfatter Francois Gray fra Tsinghua University.

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.