Гребење на триење на атомската скала - научен спектар

Триење: гребење на атомска скала

Триењето и абењето се секојдневни појави со огромно техничко значење. Триењето доведува до загуби на енергија, бидејќи насочената кинетичка енергија се претвора во топлина, а абењето го ограничува работниот век на сите механички уреди, од автомобилски мотори до хард дискови во компјутерите. Затоа, истражувањето на овие појави има долга историја. Ова е веќе документирано со слики од конструкцијата на пирамидата од империјата на фараонот: со цел да се намали триењето на големи транспортни санки, античките Египќани ги навлажнувале песочните патеки.

Универзалниот генијалец Леонардо да Винчи (14521519) за прв пат ги утврди физичките закони на триење. Сепак, тие не беа објавени и мораше повторно да ги открие францускиот физичар Гијом Амонтонс на крајот на 17 век. Чарлс-Августин де Кулон ги направи првите чекори во потрагата по микроскопските причини за триење, вклучително и микроскопската грубост на површината во неговите размислувања. Всушност, триењето помеѓу две тела се одредува со формирање, поместување и уривање на голем број мали индивидуални контакти.

Од воведувањето на микроскопија на атомска сила, овие процеси сега може да се набудуваат директно. Исто како што иглата на рекордерот чита симфонија надвор од геометријата на жлебовите на плочата, врвот на силниот микроскоп може да ја почувствува атомската структура на површината. Ова води кон она што е познато како однесување на лизгање на стап: ако врвот на микроскопот внимателно се повлече преку рамна кристална површина, тој останува заглавен во атомска позиција (стап) сè додека силата на истегнување не ја надмине вредноста на прагот; тогаш скока на следната таква позиција (лизгање). Триењето се менува со периодичноста на атомската решетка, која може да се мапира на овој начин.

Како се создава триење на триење

Точно е дека ова не е вистинска атомска резолуција, бидејќи контактот помеѓу врвот и примерокот се состои од не само еден, туку многу атоми. Како и да е, експериментите со триење ја покажуваат структурата на атомската решетка. Споредбата може да ја разјасни причината: Вие исто така може да ја одредите периодичноста на картонот со јајца со нежно движење на друг над него.

Однесувањето на лизгање во никој случај не е ограничено на микрокосмосот. Тоа се случува и во нашиот макроскопски секојдневен свет, на пример со пискање сопирачка која цврсто седи на раб сè додека силата на тркалото не продолжи да се врти и не стане премногу голема и го турка малку подалеку, итн. Ние ја согледуваме фреквенцијата на повторување на овој процес како звучен бран.

Студијата за триење на атомска скала во никој случај не е само од академски интерес. Ова го покажаа и нашите први експерименти со метални површини. Според ова, атомското триење и абењето се клучно зависни од порамнувањето на површината кон кристалната решетка. Само ако, на пример, бакарен кристал се исече паралелно со кристалната рамнина во која атомите се најблиску спакувани, би можеле да измериме атомско однесување на лизгање на атом без абење. На други површини од истиот кристал, од друга страна, имаше веднаш отстранување на тешкиот материјал и неправилни скокови во силата на триење на атомска скала.

Централно прашање е како точно се создава топлина за време на процесот на триење. Можевме да ја утврдиме добиената загуба на енергија директно со силен микроскоп: Тоа произлегува од производот на измерената сила на триење и патеката на врвот. Како што откривме, енергијата обично се губи за време на процесот на лизгање. Јасно може да се замисли дека врвот ги влече атомите на површината, над кои брзо се лизга. Нивното движење се пренесува многу брзо на сите соседни атоми и се губи во мрежните вибрации, т.е. во топлината.

Носењето може да се испита и во атомски димензии со силниот микроскоп. За ова само треба доволно да се зголеми притисокот на врвот; во одреден момент ќе гребе атоми од површината.

Подетално ја испитавме оваа почетна фаза на абење на кристал од калиум бромид. За да го направите ова, прво изгребавме гребење неколку атомски слоеви длабоко во површината со релативно високо ниво на сила, а потоа го растеризиравме со мал притисок на контакт. На овој начин, успеавме да ја покажеме не само топографијата на оштетената област, туку и нејзината атомска структура благодарение на однесувањето на пролизгувањето. Со цел да се минимизираат надворешните влијанија како што се влажноста, ги спроведовме експериментите во вакуумска комора.

На наше изненадување, аболираните атоми во никој случај не беа случајно лоцирани околу нула, туку формираа насипи од подредени слоеви кои совршено се прилагодија на кристалната основа. Очигледно тие се движат по површината додека не се вратат во редовната положба во кристалната решетка, иако врвот на микроскопот со атомска сила може да помогне во оваа промена. Ова ново откритие е важно за обидите да се симулира процесот на абење. Соодветните модели треба да земат предвид дека аболираните атоми речиси веднаш се кристализираат и со тоа се враќа одредена јачина.

Носат наспроти триење

Кога се јавува абење, колку од кинетичката енергија троши во споредба со триењето? Ова исто така може да се утврди со силниот микроскоп. Сè што треба да направите е точно да ја измерите топографијата на гребење. Резултатот открива колку атоми биле ослободени од кристалот. Збирот на нивните енергетски врски во однос на употребената вкупна енергија, што произлегува од мерењата на силите, обезбедува пропорција што може да се припише на абење. Како што откривме, повеќе од две третини од енергијата со триење веднаш се претвора во топлина и само една третина се користи за кршење на кристалот.

Нашите истражувања за загубата на енергија и модификацијата на површината на атомската скала сигурно ќе помогнат да се разбере подобро триењето и абењето и на макроскопско ниво. На крајот на краиштата, двата света честопати се тесно поврзани. Абењето на клиповите на современите мотори е во опсег од еден нанометар на час, што одговара на неколку атомски слоеви. Заштитниот слој на магнетните дискови за складирање е дебел само неколку нанометри, така што не го попречува читањето на битовите во највисока резолуција. Абразијата предизвикана од неволен контакт со читаната глава е еден од централните технолошки проблеми во развојот на хард дисковите.

Но, нашите резултати би можеле да станат важни и во нано-науките. Може да се замисли дека забележаната рекристализација на раселените атоми им олеснува на нанотехнолозите значително полесно да ги конструираат малите структури и уреди за кои се стремат.