Секреты перемещения без трения – новый шаг к энергоэффективности

трение
Исследователи сделали новаторские открытие в области сверхсмазывающей способности, продемонстрировав, как минимальное трение может революционизировать энергоэффективность в механических системах. Фото: SciTechDaily.com

 

Из всех физических явлений трение представляет собой значительную проблему для подвижных механизмов и систем, поскольку напрямую связано с их энергоэффективностью. Стоимость потерь энергии и материалов, связанных с трением и износом, составляет около 5–7% валового национального продукта в большинстве промышленно развитых стран и ~ 23% общего мирового потребления энергии. Таким образом, стремление к дальнейшему уменьшению или даже устранению трения в различных механических системах имеет огромный потенциал.

 

Новые исследования ученых из Университета Лестера решили задачу принципов сверхсмазывающей способности, при которой поверхности испытывают чрезвычайно низкий уровень трения. Их работа бросает вызов традиционным законам, предлагая многообещающие применения для снижения глобального потребления энергии.

 

Чтобы исследовать принципы сверхсмазывающей способности, был создан контакт двух молекулярных гладких поверхностей — иглы, скользящей по подложке. При этом контактирующие поверхности были покрыты слоем графена. Сила трения измерялась с помощью силовой микроскопии. 

трение
Иллюстрация установки для численных экспериментов in silico (МД-моделирование). Наконечник Cu, покрытый слоем графена (красный), скользит по подложке Cu, покрытой другим слоем графена (синий). Предоставлено: Университет Лестера.

 

Сверхсмазывающая способность связана с молекулярными гладкими поверхностями, такими как графен, и ранее наблюдалась только в лабораторных условиях, где эти поверхности синтезируются в нано- и микронных масштабах. Решение этой проблемы очень перспективное для технологических приложений, где потенциально может снизить трение в машинах и механизмах в 1000–10 000 раз по сравнению с обычным трением.

 

Большинство людей интуитивно знают, что трение – это сопротивление скольжению деталей и зависит силы их прижатия. Это известно, как закон трения Амонтона-Кулона, сформулированный более 300 лет назад. 

 

Однако это не относится к сверхсмазывающей способности. Новое открытие позволяет в десятки тысяч раз уменьшить трение в сравнении с обычным трением, и сила трения в этом случае не зависит от силы прижатия. Так, например, увеличение веса тела с граммов до десятков килограммов не изменит силу трения. Такая значительная разница с обычным трением интригует и требует объяснения. 

 

В процессе исследований было установлено, что «синхронные» колебания поверхностей деталей, вызванные случайными колебаниями поверхностных атомов, приводят к трению. Такие колебания существуют при любой температуре и их интенсивность уменьшается с понижением температуры. Это означает, что за счет снижения температуры поверхности эффект трения можно еще больше снизить.

 

Проявляются также и другие удивительные особенности сверхсмазывающей способности, такие как необычная зависимость силы трения от скорости скольжения, температуры и площади контакта. Все эти зависимости противоположны тем, которые предсказывают традиционные законы. Новые результаты исследований смогут открыть широкие горизонты их промышленного применения. Как только будут созданы молекулярные слои с гладкой поверхностью размером в миллиметры или сантиметры, все движущиеся, вращающиеся, колеблющиеся поверхности в машинах и механизмах будут покрыты такими поверхностными слоями. Это резко снизит потребление энергии во всем мире.