Теперь физики могут контролировать «скрытое» трение в устройствах.

Один из видов трения может приводить к потере энергии даже при движении двух идеально гладких поверхностей друг относительно друга, но исследователи осваивают способы его ослабления или полного устранения.

В идеально гладких частях устройств трение всё ещё может возникать из-за находящихся в них электронов, но новый метод может позволить исследователям уменьшить или полностью отключить его. Контроль этого электронного трения может помочь в создании более эффективных и долговечных устройств.

Сила трения противодействует движению, рассеивает энергию и присутствует повсюду вокруг нас, позволяя нам, например, ходить, не поскользнувшись, и зажигать спички. В таких машинах, как двигатели, трение приводит к потере энергии и износу, поэтому с ним необходимо бороться с помощью смазочных материалов и обработки поверхностей. Тем не менее, некоторое трение может сохраняться независимо от этих методов, поскольку объекты полны электронов, которые взаимодействуют друг с другом.

Теперь Чжипин Сюй из Университета Цинхуа в Китае и его коллеги разработали способ управления этим «электронным трением». Они создали устройство, состоящее из двух слоев: кусочка графита и полупроводника, изготовленного либо из молибдена и серы, либо из бора и азота.

Все три материала являются хорошими твердыми смазочными материалами, а это значит, что механическое трение при их скольжении друг относительно друга было практически нулевым. Это позволило исследователям сосредоточиться на более «скрытом» механизме электронного трения, приводящем к потере энергии при движении слоев устройства, говорит Сюй. «Даже когда поверхности скользят идеально, механическое движение все равно может взбалтывать „море“ электронов внутри материалов», — говорит он.

Сначала исследователи изучили, как электронные состояния в полупроводниковом слое соотносятся с потерями энергии при скольжении, чтобы подтвердить, что они действительно изучают электронное трение. Затем они протестировали несколько способов управления им.

Им удалось полностью отключить его, создав давление на устройство, что заставило электроны между слоями обмениваться состояниями вместо того, чтобы взаимодействовать энергетически затратными способами, а также добавив к устройству «напряжение смещения», которое контролировало степень перемешивания электронного моря.

Изменение напряжения на двух разных участках устройства, которое влияло на легкость потока электронов внутри него, позволило исследователям ослабить электронное трение — оно служило регулятором, а не выключателем.

Жаклин Крим из Университета штата Северная Каролина говорит, что первые исследования электронного трения датируются 1998 годом, когда ее команда использовала материал, который идеально проводит электричество при чрезвычайно низких температурах — сверхпроводник — и увидела, как оно исчезает в этом особом состоянии. С тех пор исследователи разрабатывают новые способы управления этим явлением без необходимости полной замены материалов или добавления новых смазочных материалов в свои устройства, говорит она.

Крим говорит, что идеальная ситуация была бы аналогична использованию приложения для смартфона для регулировки трения подошв обуви при ходьбе, например, с обледенелого тротуара в комнату с ковровым покрытием. «Цель — это дистанционное управление в реальном времени без простоев и отходов материалов. Для этого необходим материал, который реагирует на внешние поля таким образом, чтобы обеспечить желаемый уровень трения», — говорит она.

Сюй говорит, что управление всеми типами трения, присутствующими в устройстве, представляет собой сложную задачу, отчасти потому, что исследователи еще не разработали математическую модель, которая бы строго связывала их все друг с другом. Однако, по его словам, в случаях, когда электронное трение является основной причиной потерь энергии или износа, результаты его команды уже могут быть многообещающими.

Physical Review X DOI: 10.1103/jlc2-qmr1

Источник: www.newscientist.com