Достигнуто нулевое трение в макроскопических масштабах
Когда два объекта скользят друг по другу, любая шероховатость на их поверхностях почти неизбежно будет оказывать сопротивление движению, создавая силу трения. Однако в 2004 году физики показали, что трение между двумя графитовыми поверхностями можно практически устранить, просто повернув их молекулярные структуры. Впервые китайские физики практически полностью устранили трение между двумя поверхностями (структурная сверхсмазка) в масштабах, видимых невооруженным глазом. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Рис. Макроскопическая структурная сверхсмазывающая способность на границах раздела графит/графит и графит/MoS₂. Источник: Минхао Хан и др.
По мнению некоторых физиков, твердотельная литография в таком масштабе была бы невозможна в реальной жизни из-за таких эффектов, как упругость поверхностей и наличие дефектов: небольших, но неизбежных нарушений молекулярной структуры.
Ключевая проблема в том, что реальные поверхности графита не существуют в виде монокристаллических образований. Они разделены на "зерна", каждое из которых содержит упорядоченную структуру, но ориентировано в случайных направлениях относительно друг друга. Поскольку размеры этих зерен ограничены десятками микрометров, поддержание структурной смазки в больших масштабах становится невозможным.
В данной работе учёные использовали монокристаллические графитовые пленки, выращенные специальным методом непрерывной эпитаксии, в которых находятся зерна миллиметрового размера. Этот метод изготовления был объединён с тщательным подходом к послойному нанесению слоев, что позволило более точно контролировать ориентацию графитовых пленок.
Было продемонстрировано практически нулевое трение, которое сохранялось даже при нагрузке верхней поверхности широким диапазоном грузов. В некоторых случаях наблюдалось отрицательное трение — когда эффективная сила сопротивления уменьшалась по мере увеличения нагрузки.
Аналогичное поведение наблюдается также на границах раздела между графитом и дисульфидом молибдена, что указывает на то, что макроскопическая структурная сверхсмазывающая способность является общим явлением для плоских слоистых материалов.
