Температура сильно влияет на свойства трения, поскольку по мере ее повышения коэффициент трения уменьшается, а гладкость постепенно увеличивается. Кроме того, скорость износа значительно увеличивается из-за кумулятивного тепла трения, что еще больше повреждает приборы. Чтобы продлить срок службы приборов, ученые из Университета Лестера изучают суперсмазочные свойства для энергоэффективности. Они обнаружили, что снижение температуры поверхности уменьшает трение, устраняя эффекты случайных вибраций на атомах поверхности.
Группа ученых из Лестерского университета активно исследует способы сделать поверхности еще более скользкими. Это прорыв в понимании сверхскользкости, когда две поверхности демонстрируют минимальное или почти нулевое трение при скольжении друг относительно друга. Концепция сверхскользкости связана с очень гладкими поверхностями на молекулярном уровне, такими как графен. До сих пор это наблюдалось только в лабораторных условиях, где такие поверхности создавались в очень малых масштабах.
Профессор Николай Бриллиантов из Лестерского университета и международная группа ученых обнаружили, что случайные колебания атомов на поверхности создают синхронные флуктуации на поверхностях объектов, приводящие к трению. Колебания сохраняются при всех температурах выше абсолютного нуля, и их интенсивность уменьшается по мере снижения температуры. Это означает, что снижение температуры поверхности может эффективно уменьшить влияние трения.
Профессор Бриллиантов из Лестерской школы вычислительных и математических наук сказал: «Такое разительное отличие от обычного трения интригует и требует объяснения. Существуют и другие удивительные особенности сверхсмазывания, такие как необычная зависимость силы трения от скорости скольжения, температуры и площади контакта. Все эти зависимости противоположны тем, которые предсказываются традиционными законами Амонтона-Кулона. Объяснение загадочного поведения сверхсмазывания поможет контролировать сверхнизкое трение, что может открыть захватывающие горизонты его промышленного применения».
Прорывы в области трения
Суперсмазываемость — это замечательное явление, которое сильно отличается от традиционного трения. В этом состоянии трение может быть меньше, и на него не влияет вес объекта. Это означает, что увеличение веса объекта с граммов до десятков килограммов не изменит уровень силы трения.
Потенциальные области применения этой технологии для снижения трения в машинах и механизмах весьма многообещающи. Она может снизить трение в 1000–10 000 раз по сравнению с традиционными методами. Хорошо известно, что более тяжелые объекты испытывают большее сопротивление скольжению, чем более легкие, — принцип, известный как закон трения Амонтона-Кулона , установленный более 300 лет назад.
Экспериментальная установка и измерения
Для изучения принципов сверхсмазывания исследователи установили контакт между двумя молекулярно гладкими поверхностями. Используя микроскопию боковых сил, они измерили силу трения, скользя наконечником по подложке. Обе поверхности были покрыты слоем графена . Кроме того, они провели всесторонние численные эксперименты с использованием моделирования молекулярной динамики для разработки реалистичной модели этого явления. Крайне важно, чтобы поверхности оставались несоизмеримыми. Это гарантирует, что вершины одной поверхности не будут совпадать с впадинами другой поверхности.
Когда поверхности имеют ненулевую температуру, трение возникает из-за поверхностных волн, вызванных тепловыми колебаниями. Ученые показали, что трение вызывается синхронным изгибом двух поверхностей, находящихся в тесном контакте, что создает тепловые колебания. Температура поверхностей напрямую влияет на амплитуду этих синхронных колебаний, причем более высокие температуры приводят к большим амплитудам. Размер области контакта влияет на поверхностные колебания и затрудняет движение.
Узнайте, как разработки в области двухатомных катализаторов повышают эффективность возобновляемой энергетики?
Будущие возможности
После понимания суперсмазываемости для энергоэффективности профессор Бриллиантов добавил: «Мы смогли объяснить атомистический механизм загадочной независимости силы трения от веса тела и сформулировали новые законы трения для суперсмазываемости. Эти законы, хотя и находятся в резком контрасте с законами Амонтона-Кулона, довольно хорошо описывают это явление. Как только будут созданы молекулярные гладкие поверхностные слои в масштабе миллиметров или сантиметров, все движущиеся, вращающиеся, колеблющиеся контакты в машинах и механизмах будут покрыты такими поверхностными слоями. Это радикально снизит потребление энергии во всем мире. Для дальнейшего снижения потребления энергии самые большие контакты, возможно, будут храниться при низких температурах».
Источник : Новые данные о поверхностях без трения — скользкая дорожка к энергоэффективным технологиям.
