Zgârierea fricțiunii pe scara atomică - Spectrul științific

Fricțiune: zgâriere la scară atomică

Fricțiunea și uzura sunt fenomene cotidiene cu o importanță tehnică enormă. Fricțiunea duce la pierderi de energie, deoarece energia cinetică direcționată este transformată în căldură, iar uzura limitează durata de viață a tuturor dispozitivelor mecanice, de la motoarele mașinilor la hard diskurile din computere. Prin urmare, cercetarea acestor fenomene are o istorie lungă. Acest lucru este deja documentat de imagini cu piramide din imperiul faraonilor: pentru a reduce fricțiunea sanilor mari de transport, vechii egipteni au umezit cărările nisipoase.

Geniul universal Leonardo da Vinci (14521519) a stabilit pentru prima dată legile fizice ale fricțiunii. Cu toate acestea, acestea nu au fost publicate și au trebuit să fie redescoperite de către fizicianul francez Guillaume Amontons la sfârșitul secolului al XVII-lea. Charles-Augustin de Coulomb a făcut primii pași în căutarea cauzelor microscopice ale fricțiunii, incluzând rugozitatea microscopică a suprafeței în considerațiile sale. De fapt, fricțiunea dintre două corpuri este determinată de formarea, deplasarea și demolarea unui număr mare de mici contacte individuale.

De la introducerea microscopiei cu forță atomică, aceste procese pot fi acum observate direct. La fel cum acul unui jucător de înregistrare citește o simfonie din geometria canelurilor dintr-o înregistrare, vârful microscopului de forță poate simți structura atomică a unei suprafețe. Acest lucru duce la ceea ce este cunoscut sub numele de comportament de alunecare a bățului: dacă vârful microscopului este tras cu atenție peste o suprafață cristalină plană, acesta rămâne blocat într-o poziție atomică (băț) până când forța de tracțiune depășește valoarea pragului; apoi sare la următoarea astfel de poziție (alunecare). Fricțiunea se schimbă odată cu periodicitatea rețelei atomice, care poate fi mapată în acest fel.

Cum este generată căldura prin frecare

Este adevărat că aceasta nu este o rezoluție atomică reală, deoarece contactul dintre vârf și eșantion constă nu doar dintr-un singur atom, ci din mulți. Cu toate acestea, experimentele de frecare arată structura rețelei atomice. O comparație poate clarifica motivul: ați putea determina, de asemenea, periodicitatea unei cutii de ouă, deplasând ușor altul peste el.

Comportamentul cu alunecare nu este în niciun caz limitat la microcosmos. Se întâmplă, de asemenea, în lumea noastră macroscopică de zi cu zi, de exemplu, cu o frână scârțâitoare care stă ferm pe jantă până când forța roții continuă să se întoarcă devine prea mare și o împinge puțin mai departe și așa mai departe. Percepem frecvența repetării acestui proces ca pe o undă sonoră.

Studiul fricțiunii la scară atomică nu este deci în niciun caz doar de interes academic. Acest lucru a fost demonstrat și de primele noastre experimente cu suprafețe metalice. În conformitate cu aceasta, fricțiunea și uzura atomică depind în mod crucial de alinierea suprafeței la rețeaua cristalină. Doar atunci când, de exemplu, un cristal de cupru a fost tăiat paralel cu planul cristalului în care atomii sunt cel mai strâns împachetați, am putea măsura un comportament atomic de alunecare fără lipire. Pe de altă parte, pe alte suprafețe ale aceluiași cristal, a existat îndepărtarea imediată a materialelor grele și salturi neregulate în forța de frecare la scară atomică.

O întrebare centrală este cum se generează exact căldura în timpul procesului de frecare. Am putut determina pierderea de energie rezultată direct cu microscopul de forță: Rezultă din produsul forței de frecare măsurate și de traseul vârfului. După cum am descoperit, energia este de obicei pierdută în timpul procesului de alunecare. Ne putem imagina clar că vârful trage de atomii de la suprafață, peste care alunecă rapid. Mișcarea lor este transferată foarte repede la toți atomii vecini și se pierde în vibrații de rețea, adică în căldură.

Uzura poate fi examinată și în dimensiuni atomice cu microscopul de forță. Pentru a face acest lucru, trebuie doar să creșteți suficient presiunea vârfului; la un moment dat va zgâria atomii de la suprafață.

Am examinat mai detaliat această etapă inițială de uzură pe un cristal de bromură de potasiu. Pentru a face acest lucru, am zgâriat mai întâi o zgârietură câteva straturi atomice adânc în suprafață cu un nivel relativ ridicat de forță și apoi l-am rasterizat cu presiune de contact scăzută. În acest fel, am putut arăta nu numai topografia zonei deteriorate, ci și structura sa atomică datorită comportamentului de alunecare a bățului. Pentru a minimiza influențele externe, cum ar fi umiditatea, am efectuat experimentele într-o cameră de vid.

Spre surprinderea noastră, atomii ablați nu erau nicidecum localizați în mod aleatoriu în jurul zgârieturilor, ci formau movile de straturi ordonate care se adaptaseră perfect la baza cristalină. Se pare că se deplasează de-a lungul suprafeței până când au revenit la o poziție regulată în rețeaua de cristal, cu vârful microscopului de forță atomică ajutând probabil această schimbare. Această nouă descoperire este importantă pentru încercările de a simula procesul de uzură. Modelele adecvate ar trebui să ia în considerare faptul că atomii ablați cristalizează din nou aproape imediat și astfel își recapătă o anumită rezistență.

Uzură versus frecare

Când apare uzura, câtă parte din energia cinetică consumă în comparație cu fricțiunea? Acest lucru poate fi determinat și cu microscopul de forță. Tot ce trebuie să faceți este să măsurați exact topografia zgârieturilor. Rezultatul dezvăluie câți atomi au fost eliberați din cristal. Suma energiilor lor de legare în raport cu energia totală utilizată, care rezultă din măsurătorile forței, furnizează proporția care poate fi atribuită uzurii. După cum am aflat, mai mult de două treimi din energie este transformată instantaneu în căldură prin frecare și doar o treime este folosită pentru a sparge cristalul.

Investigațiile noastre privind pierderile de energie și modificarea suprafeței la scară atomică vor contribui cu siguranță la o mai bună înțelegere a fricțiunii și a uzurii și la nivel macroscopic. La urma urmei, ambele lumi sunt adesea strâns legate. Uzura pistoanelor motoarelor moderne este în intervalul de un nanometru pe oră, ceea ce corespunde câtorva straturi atomice. Stratul de protecție de pe discurile de stocare magnetică are o grosime de doar câțiva nanometri, astfel încât să nu împiedice citirea biților la cea mai mare rezoluție. Abraziunea cauzată de contactul involuntar cu capul citit este una dintre problemele tehnologice centrale în dezvoltarea unităților de hard disk.

Dar rezultatele noastre ar putea deveni importante și în nanoștiințe. Este de conceput că recristalizarea observată a atomilor deplasați face ca nanotehnologii să construiască în mod considerabil structurile și dispozitivele minuscule pentru care se străduiesc.