Lämpötila vaikuttaa suuresti kitkaominaisuuksiin, koska sen noustessa kitkakerroin pienenee ja sileys kasvaa asteittain. Lisäksi kulumisasteet kasvavat merkittävästi kumulatiivisen kitkalämmön vuoksi, mikä vaurioittaa laitteita entisestään. Leicesterin yliopiston tutkijat ymmärtävät ylivoitelun energiatehokkuuden parantamiseksi laitteiden käyttöiän parantamiseksi. He havaitsivat, että pintalämpötilan alentaminen vähentää kitkaa käsittelemällä pinnan atomeihin kohdistuvien satunnaisten värähtelyjen vaikutuksia.
Leicesterin yliopiston tiedemiesryhmä on aktiivisesti tutkinut tapoja tehdä pinnoista entistä liukkaampia. Tämä on läpimurto superlubrisiteetin ymmärtämisessä, jossa kahdella pinnalla on minimaalinen tai lähes olematon kitka liukuessaan toisiaan vasten. Superlubrisiteetin käsite yhdistetään molekyylitasolla erittäin sileisiin pintoihin, kuten grafeeniin. Sitä on havaittu vain laboratorio-olosuhteissa, joissa nämä pinnat luodaan hyvin pienissä mittakaavoissa.
Leicesterin yliopiston professori Nikolai Brilliantovin ja kansainvälisen tiedemiesryhmän yhteistyönä syntyy havainto, että pintojen atomien satunnaiset värähtelyt aiheuttavat synkronisia fluktuaatioita kappaleiden pinnoille, mikä johtaa kitkaan. Värähtelyt jatkuvat kaikissa absoluuttisen nollapisteen yläpuolella olevissa lämpötiloissa, ja niiden voimakkuus heikkenee lämpötilan laskiessa. Tämä viittaa siihen, että pintalämpötilan alentaminen voi tehokkaasti vähentää kitkan vaikutusta.
Leicesterin tietojenkäsittelyn ja matemaattisten tieteiden tiedekunnan professori Brilliantovin mukaan tällainen dramaattinen ero tavalliseen kitkaan verrattuna on kiehtova ja vaatii selitystä. Supervoitelulla on muitakin yllättäviä piirteitä, kuten kitkavoiman epätavallinen riippuvuus liukumisnopeudesta, lämpötilasta ja kosketuspinta-alasta. Kaikki nämä riippuvuudet ovat päinvastaisia kuin perinteiset Amontons-Coulombin lait ennustavat. Supervoitelun arvoituksellisen käyttäytymisen selittäminen auttaa hallitsemaan erittäin pientä kitkaa, mikä voi avata henkeäsalpaavat näkymät sen teollisille sovelluksille.
Läpimurtoja kitkassa
Ylivoitelu on huomattava ilmiö, joka eroaa huomattavasti perinteisestä kitkasta. Tässä tilassa kitka voi olla pienempi, eikä esineen paino vaikuta siihen. Tämä tarkoittaa, että esineen painon lisääminen grammoista kymmeniin kiloihin ei muuta kitkavoiman tasoa.
Tämän teknologian potentiaaliset sovellukset koneiden ja mekanismien kitkan vähentämiseksi ovat erittäin lupaavia. Se voi vähentää kitkaa jopa 1000–10 000 kertaa perinteisiin menetelmiin verrattuna. On tunnettu tosiasia, että raskaammat kappaleet kokevat suuremman liukumisvastuksen verrattuna kevyempiin. Tämä periaate tunnetaan Amontons-Couloumbin kitkalakina , joka vahvistettiin yli 300 vuotta sitten.
Kokeellinen asennus ja mittaukset
Superlubrisiteetin periaatteiden tutkimiseksi tutkijat loivat kontaktin kahden molekyylisileän pinnan välille. Sivuttaisvoimamikroskopian avulla he mittasivat kitkavoiman liu'uttamalla kärkeä substraatilla. Molemmat oli päällystetty grafeenikerroksella . Lisäksi he suorittivat kattavia numeerisia kokeita käyttäen molekyylidynamiikkasimulaatioita kehittääkseen realistisen mallin ilmiöstä. On olennaista, että pinnat pysyvät yhteismitattomina. Tämä takaa, että toisen pinnan huiput eivät ole linjassa toisen pinnan laaksojen kanssa.
Kun pintojen lämpötila on nollasta poikkeava, syntyy kitkaa lämmönvaihteluista johtuvista pintapoimuista. Tutkijat ovat osoittaneet, että kitka aiheutuu kahden läheisessä kosketuksessa olevan pinnan synkronoidusta taipumisesta, mikä aiheuttaa lämpövaihteluja. Pintojen lämpötila vaikuttaa suoraan näiden synkronisten vaihteluiden amplitudiin, korkeammat lämpötilat johtavat suurempiin amplitudeihin. Kosketusalueen koko vaikuttaa pinnan vaihteluihin ja estää liikettä.
Ota selvää, miten kaksiatomikatalyyttien kehitys parantaa uusiutuvan energian tehokkuutta?
Tulevaisuuden mahdollisuudet
Ymmärtettyään supervoitelun energiatehokkuuden kannalta, professori Brilliantov lisäsi: "Olemme pystyneet selittämään kitkavoiman arvoituksellisesta riippumattomuudesta kappaleen painosta atomistisen mekanismin ja muotoilleet uudet ylivoitelulakit. Vaikka nämä lait ovatkin jyrkässä ristiriidassa Amontons-Coulombin lakien kanssa, ne kuvaavat tätä ilmiötä sileäpintaisten kerrosten tai millimetrien mittakaavassa melko hyvin. senttimetriä, kaikki liikkuvat, pyörivät, värähtelevät koskettimet koneissa ja mekanismeissa peitetään tällaisilla pintakerroksilla. Se vähentää energiankulutusta merkittävästi maailmanlaajuisesti.
Lähde : Uusi näkemys kitkattomista pinnoista on liukas rinne kohti energiatehokasta teknologiaa
