Temperatura ma duży wpływ na właściwości cierne, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury współczynnik tarcia maleje, a gładkość stopniowo wzrasta. Ponadto wskaźniki zużycia znacznie wzrastają z powodu kumulującego się ciepła tarcia, co dodatkowo uszkadza urządzenia. Aby wydłużyć żywotność urządzeń, naukowcy z University of Leicester badają superlubricity w celu zwiększenia efektywności energetycznej. Odkryli, że obniżenie temperatury powierzchni zmniejsza tarcie, radząc sobie ze skutkami losowych wibracji na atomach powierzchni.
Zespół naukowców z Uniwersytetu w Leicester aktywnie bada sposoby na zwiększenie śliskości powierzchni. To przełom w zrozumieniu zjawiska superlubrykacji, w którym dwie powierzchnie wykazują minimalne lub praktycznie zerowe tarcie podczas ślizgania się po sobie. Koncepcja superlubrykacji jest powiązana z bardzo gładkimi powierzchniami na poziomie molekularnym, takimi jak grafen. Zjawisko to zaobserwowano jedynie w warunkach laboratoryjnych, gdzie powierzchnie te są tworzone w bardzo małej skali.
Profesor Nikołaj Brilliantow z Uniwersytetu w Leicester wraz z międzynarodowym zespołem naukowców odkrył, że losowe drgania atomów powierzchniowych powodują synchroniczne fluktuacje na powierzchniach obiektów, co prowadzi do tarcia. Drgania utrzymują się we wszystkich temperaturach powyżej zera absolutnego, a ich siła maleje wraz ze spadkiem temperatury. Oznacza to, że obniżenie temperatury powierzchni może skutecznie zmniejszyć wpływ tarcia.
Profesor Brilliantov z Leicester School of Computing and Mathematical Sciences powiedział: „Tak drastyczna różnica w porównaniu ze zwykłym tarciem jest intrygująca i wymaga wyjaśnienia. Istnieją inne zaskakujące cechy supersmarowności, takie jak niezwykła zależność siły tarcia od prędkości poślizgu, temperatury i powierzchni styku. Wszystkie te zależności są odwrotne do przewidywanych przez tradycyjne prawa Amontonsa-Coulomba. Wyjaśnienie zagadkowego zachowania supersmarowności pomoże kontrolować ultraniskie tarcie, co może otworzyć zapierające dech w piersiach horyzonty jego zastosowań przemysłowych”.
Przełomy w tarciu
Superlubricity to niezwykłe zjawisko, które znacznie różni się od tradycyjnego tarcia. W tym stanie tarcie może być mniejsze i nie jest zależne od ciężaru obiektu. Oznacza to, że zwiększenie ciężaru obiektu z gramów do dziesiątek kilogramów nie zmieni poziomu siły tarcia.
Potencjalne zastosowania tej technologii w redukcji tarcia w maszynach i mechanizmach są bardzo obiecujące. Może ona zmniejszyć tarcie nawet 1000–10 000 razy w porównaniu z metodami konwencjonalnymi. Powszechnie wiadomo, że cięższe obiekty stawiają większy opór ślizgowy niż lżejsze – zasada znana jako prawo tarcia Amontonsa-Coulomba , opracowana ponad 300 lat temu.
Eksperymentalne ustawienia i pomiary
Aby zbadać zasady superlubrykacji, naukowcy nawiązali kontakt między dwiema molekularnie gładkimi powierzchniami. Za pomocą mikroskopii sił bocznych zmierzyli siłę tarcia, przesuwając końcówkę po podłożu. Obie powierzchnie były pokryte warstwą grafenu . Przeprowadzili również kompleksowe eksperymenty numeryczne z wykorzystaniem symulacji dynamiki molekularnej , aby opracować realistyczny model tego zjawiska. Kluczowe jest, aby powierzchnie pozostały niewspółmierne. Zagwarantuje to, że szczyty jednej powierzchni nie będą pokrywać się z dolinami drugiej powierzchni.
Gdy powierzchnie mają temperaturę różną od zera, tarcie występuje z powodu pofałdowań powierzchni spowodowanych przez fluktuacje termiczne. Naukowcy wykazali, że tarcie jest spowodowane synchronicznym zginaniem dwóch powierzchni w bliskim kontakcie, co powoduje fluktuacje termiczne. Temperatura powierzchni bezpośrednio wpływa na amplitudę tych synchronicznych fluktuacji, przy czym wyższe temperatury skutkują większymi amplitudami. Rozmiar powierzchni styku wpływa na fluktuacje powierzchni i utrudnia ruch.
Dowiedz się, w jaki sposób rozwój katalizatorów dwuatomowych zwiększa efektywność wykorzystania energii odnawialnej?
Przyszłe możliwości
Po zrozumieniu supersmarowności dla efektywności energetycznej, profesor Brilliantov dodał: „Byliśmy w stanie wyjaśnić atomistyczny mechanizm zagadkowej niezależności siły tarcia od ciężaru ciała i sformułowaliśmy nowe prawa tarcia dla supersmarowności. Prawa te, choć są w ostrym kontraście z prawami Amontonsa-Coulomba, opisują to zjawisko dość dobrze. Gdy tylko zostaną wytworzone molekularne warstwy o gładkiej powierzchni w skali milimetrów lub centymetrów, wszystkie ruchome, obracające się, oscylujące styki w maszynach i mechanizmach zostaną pokryte takimi warstwami powierzchniowymi. To drastycznie zmniejszy zużycie energii na całym świecie. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie energii, największe styki będą prawdopodobnie utrzymywane w niskich temperaturach”.
Źródło : Nowe spojrzenie na powierzchnie bez tarcia to droga do energooszczędnej technologii
