Skoltech-forskare har förklarat varför mycket svag friktion lyder andra lagar än de som styr vanlig friktion som vi känner den från skolans fysik. Bland andra oväntade och kontraintuitiva egenskaper avslöjar de alternativa friktionslagar som formulerats av teamet varför en ökning av vikten på en kropp som glider längs en yta inte nödvändigtvis orsakar större friktion.
Att förstå hur friktion fungerar på mikroskopisk nivå kan bana väg för att kontrollera och utnyttja ultralåg friktion i många mekanismer som skulle spara enorma mängder energi över hela världen. Forskarna rapporterar sina resultat i Physical Review Letters .
Till viss del har alla en intuitiv känsla för den så kallade Amontons-Coulombs friktionslag, vars manifestationer vi rutinmässigt observerar i vardagen. Den formulerades för mer än 300 år sedan och säger att friktionen, som till exempel uppstår när du drar en tung kropp över marken, ökar med kroppens vikt. De två värdena – friktionskraften och kroppens vikt – sägs vara direkt proportionella mot varandra.
"Överraskande nog gäller den här lagen inte för supersmörjhet, fallet med extremt låg friktion", säger Skoltech-professor Nikolay Brilliantov, studiens huvudutredare.
"Superlubric friktion, som är storleksordningar mindre än konventionell friktion, beror inte på kroppens vikt, för att uttrycka det i enkla termer. Du kan öka kroppens vikt tusentals gånger - säg från ett kilo till några ton —men friktionen kommer inte att förändras, förblir så liten som för 1 kilogram. Detta fenomen är verkligen spännande och kräver en förklaring."
Det finns ett par andra överraskande egenskaper hos supersmörjbarhet, såsom friktionskraftens ovanliga beroende av glidhastighet, temperatur och kontaktyta – allt detta strider mot de konventionella Amontons-Coulomb-lagarna.
Ett team av forskare från Skoltech ledd av Brilliantov har löst gåtan med supersmörjhet. De genomförde en komplex studie, med experiment utförda av professor Albert Nasibulins grupp, numeriska simuleringar som drivs av forskaren Alexey Tsukanov från Brilliantovs grupp och den teoretiska konceptualiseringen av fenomenet från Brilliantov själv.
Teamet förklarade den atomistiska mekanismen bakom friktionskraftens förbryllande oberoende från den glidande kroppens vikt (från den "normala belastningen", i vetenskapliga termer) och formulerade alternativa friktionslagar för supersmörjhet. De beskriver fenomenet bra men står i skarp kontrast till Amontons-Coulombs lagar.
Enkelt uttryckt kan de förbryllande effekterna förklaras enligt följande. Supersmörjhet är förknippat med ytor som är mycket släta, ner till atomnivån – som ytan på det kolbaserade materialet grafen. Dessutom bör kontakten mellan de två ytorna vara opåverkad. Det betyder att grovheten på atomnivå (även kallad korrugering) på de två ytorna inte bör vara inbördes koherent.
Med andra ord bör den ena ytans potentiella "kullar" inte passa in i den andras potentiella "brunnar". Om "kullarna" och "brunnarna" passar låser de två ytorna ihop, och det krävs en avsevärd kraft för att få dem att glida. Obalanserade ytor låser sig däremot inte, och glider därför lätt.
Ändå kan friktion uppstå på grund av termiska fluktuationer. Fluktuationerna utanför planet hos ytorna vid kontakt ökar märkbart deras grovhet på atomnivå, vilket hindrar de två ytornas relativa rörelse.
Skoltech-forskarna visade dock att inte alla termiska fluktuationer är viktiga - bara de som är synkroniserade när de två ytorna böjs samtidigt, samtidigt som de förblir i tät kontakt. Sådana fluktuationer kräver minimal energi och beror inte på den normala belastningen, det vill säga vikten av glidkroppen. Detta förklarar varför friktionen är oberoende av vikten. Dessutom driver den relativa glidningen av ytorna dessa synkrona fluktuationer – "ytrynkorna" – i rörelseriktningen med glidhastigheten.
Sådan drivning kräver energi, som försvinner i huvuddelen av materialet som värme, vilket resulterar i en avledande friktionskraft som är proportionell mot hastigheten.
Ju högre yttemperaturen är, desto större amplitud för de synkrona fluktuationerna. Ju större kontaktyta desto större är antalet ytfluktuationer som hindrar relativ rörelse. Kvantitativ analys av dessa effekter ger de respektive lagarna för supersmörjhet som rapporteras i tidningen.
Mer information: Nikolay V. Brilliantov et al, Atomistic Mechanism of Friction-Force Independence on the Normal Load and Other Friction Laws for Dynamic Structural Superlubricity, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.266201
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology
