Международная группа учёных под руководством специалистов из Университета Цинхуа впервые смогла изолировать эффект так называемого электронного трения — тонкой силы сопротивления, возникающей при скольжении поверхностей на атомном уровне. Работа показывает, что этим видом трения можно управлять с помощью напряжения или полностью отключать его механическим давлением.
Трение остаётся одной из ключевых проблем в инженерии: оно ускоряет износ материалов и приводит к потерям энергии в виде тепла. Обычно с ним борются с помощью смазок и обработки поверхностей, однако даже идеально гладкие материалы могут терять энергию из-за процессов, происходящих на уровне электронов.
В некоторых системах атомы одной поверхности при движении передают часть энергии электронам другой поверхности. Электроны возбуждаются, а энергия движения превращается в дополнительное сопротивление — так возникает электронное трение. Его вклад растёт с увеличением скорости скольжения, но до сих пор его было трудно отделить от обычного «фононного» трения, связанного с колебаниями атомов.
Чтобы решить эту проблему, команда под руководством Чжипина Сю создала экспериментальную платформу на основе скользящей поверхности из графита и различных подложек — металлических, полупроводниковых и изолирующих. Кристаллические решётки поверхностей слегка поворачивались относительно друг друга, создавая состояние структурной сверхсмазки, при котором атомные вибрации почти исчезают.
В этих условиях учёные смогли практически полностью подавить фононное трение и выделить вклад электронных эффектов. Серия экспериментов показала, как электронное трение зависит от скорости, структуры интерфейса и электронных свойств материалов.
При увеличении механического давления исследователи обнаружили, что электронные состояния двух слоёв начинают перекрываться и объединяться в единую систему. Это снижает число электронных возбуждений и позволяет фактически «выключить» электронное трение.
В другом режиме на систему подавалось электрическое напряжение. Оно изменяло распределение зарядов на границе раздела и позволяло точно регулировать величину сопротивления, не устраняя его полностью. Таким образом, трение можно было настраивать почти в реальном времени.
Авторы отмечают, что их работа открывает путь к созданию наноустройств с управляемым трением — от микроэлектромеханических систем до новых типов покрытий. В перспективе такие технологии могут существенно продлить срок службы материалов и снизить энергетические потери в миниатюрных механизмах.