Команда ученых из Университета Цинхуа (Китай) под руководством Цюаньшуй Чжэна продемонстрировала эффект структурной сверхсмазки на макроуровне, разрешив давний научный спор о том, можно ли в принципе достичь такого эффекта в реальной жизни.
Когда два объекта скользят друг по другу, неровности их поверхностей создают силу трения. Однако еще в 2004 году физики обнаружили, что между двумя графитовыми поверхностями трение можно практически устранить, просто повернув их молекулярные структуры относительно друг друга. Этот эффект назвали структурной сверхсмазкой. Для инженеров он крайне привлекателен: в теории он позволяет полностью исключить износ деталей и минимизировать потери энергии в виде нагревания трущихся поверхностей.
«Хотя явление структурной сверхсмазки было открыто более двадцати лет назад, его реализация на практике долгое время ограничивалась микро- и наносистемами, — объясняет соавтор исследования Дэли Пэн. — Распространение этого явления на макроскопические размеры или его достижение в практических условиях, например при значительных нагрузках, оставалось недостижимым».
Проблема в том, что реальные графитовые поверхности не представляют собой единую кристаллическую структуру. Они состоят из «зерен» размером в десятки микрометров, которые ориентированы случайным образом. Некоторые физики считали, что из-за этого, а также из-за неизбежных дефектов и упругости материалов, достижение эффекта сверхсмазки на макроуровне попросту невозможно.
Команда Чжэна решила проблему, вырастив пленки монокристаллического графита с зернами миллиметрового размера методом непрерывной эпитаксии. Специальная техника укладки позволила точно контролировать взаимную ориентацию слоев.
«Этот подход позволил создать почти бездефектные поверхности субмиллиметрового масштаба, сохраняющие тесный атомный контакт на макроскопических площадях», — поясняет Пэн.
Результаты превзошли ожидания. Трение оставалось практически нулевым даже при значительных нагрузках на верхнюю поверхность. В некоторых случаях ученые наблюдали даже отрицательное трение — когда сопротивление при увеличении веса не росло, а наоборот, уменьшалось. По расчетам физиков, в экстремальных условиях взрослого слона, стоящего на такой поверхности, можно было бы сдвинуть с места буквально легким дуновением ветра.
Аналогичный эффект ученые обнаружили на границе графита с дисульфидом молибдена, что указывает на то, что явление структурной сверхсмазки — не уникальная возможность, присущая исключительно графиту, а универсальный эффект, который распространяется на разные слоистые материалы.
Ранее российские ученые открыли способ повышения долговечности деталей из титана.