Когда два объекта скользят относительно друг друга, любая шероховатость на их поверхностях почти неизбежно будет препятствовать движению, создавая 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 самосмазываемостью. Для инженеров он крайне привлекателен: в теории он позволяет полностью исключить износ деталей.
Тем не менее реализация этого эффекта долгое время была возможна только в микро- или наноразмерных системах. Распространить это явление на макроскопические размеры или реализовать его в практических условиях, например при макроскопических нагрузках, до сих пор не удавалось.
Впервые физикам удалось практически полностью устранить трение между двумя поверхностями в масштабах, видимых невооруженным глазом. Итоги эксперимента были опубликованы в журнале Physical Review Letters. Достижение открыло путь к революционным изменениям в машиностроении, микроэлектронике и нанотехнологиях, суля эру устройств с беспрецедентной эффективностью и долговечностью.
Главными препятствиями были неизбежные дефекты в реальных материалах и их поликристаллическая природа. Ключевая проблема при проверке этого эффекта заключается в том, что реальные поверхности графита не представляют собой монокристаллические структуры. Вместо этого они разделены на «зерна», каждое из которых имеет упорядоченную структуру внутри себя, но ориентировано в случайном направлении относительно других зерен. Поскольку размеры этих зерен составляют всего несколько десятков микрометров, сохранение сверхструктуры в больших масштабах становится невозможным.
Китайским ученым удалось преодолеть этот фундаментальный барьер. Команда исследователей решила проблему, вырастив пленки монокристаллического графита с зернами миллиметрового размера методом непрерывной эпитаксии (нарастания кристаллов друг на друге). Специальная техника укладки позволила точно контролировать взаимную ориентацию слоев. В результате 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.
Ранее Наука Mail рассказала, как ученым впервые удалось заморозить сверхтекучую жидкость.
