PRL: достигнуто практически нулевое трение в макроскопическом масштабе

Физики из Китая впервые продемонстрировали практически полное исчезновение трения между двумя поверхностями в макроскопическом масштабе. Команда под руководством профессора Цюаньшуя Чжэна из Университета Цинхуа экспериментально реализовала эффект так называемой структурной сверхсмазки — явления, которое более 20 лет считалось достижимым лишь на микро- и наноуровне.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).

Трение возникает из-за микроскопической шероховатости поверхностей: при скольжении неровности цепляются друг за друга, сопротивляясь движению. Однако в 2004 году ученые показали, что между слоями графита трение может почти исчезнуть, если их кристаллические решетки ориентированы под определённым углом. Этот эффект получил название структурной сверхсмазки (structural superlubricity, SSL).

"Несмотря на то что структурная сверхсмазка была открыта более двух десятилетий назад, ее реализация долгое время оставалась ограниченной микро- и наносистемами", — объяснил соавтор исследования Дэли Пэн. По его словам, попытки перенести эффект в реальный, "осязаемый" масштаб сталкивались с фундаментальными ограничениями.

Основная проблема заключалась в структуре реальных материалов. Обычный графит состоит из множества кристаллических зерен, ориентированных случайным образом. Размер таких зерен редко превышает десятки микрометров, поэтому на больших площадях сверхсмазка неизбежно нарушается. Кроме того, свою роль играют дефекты и упругие деформации поверхностей, которые, как считалось, делают эффект невозможным при больших нагрузках.

Команда Чжэна решила эту задачу, использовав специально выращенные пленки монокристаллического графита с зернами миллиметрового размера.

Они были получены методом непрерывной эпитаксии, а затем аккуратно уложены друг на друга с точно контролируемой ориентацией.

"Такой подход позволил создать почти бездефектный интерфейс на субмиллиметровых масштабах с плотным атомным контактом по всей площади", — пояснил Пэн. По его словам, это сняло ключевые ограничения, мешавшие наблюдать эффект сверхсмазки в макроскопических условиях.

Эксперименты показали, что трение между поверхностями остается практически нулевым даже при значительных нагрузках. Более того, в ряде случаев исследователи зафиксировали так называемое отрицательное трение — когда сопротивление движению уменьшалось по мере увеличения давления.