Перемещение наночастиц отличается сверхнизким трением
 Изображение процесса перемещения наночастиц по поверхности графита с помощью зонта АСМ. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Если перемещать макроскопический блок по полу, шероховатости пола будут взаимодействовать с нижней поверхностью блока, препятствуя движению вперед. Для перемещения блока придется потратить энергию (на компенсацию работы силы трения). Аналогичный процесс при контакте двух поверхностей ученые ожидали увидеть и на микроскопическом уровне. Только в этом случае «шероховатости» нижней поверхности должны представлять собой энергетический барьер, который должны огибать атомы верхней поверхности. При этом если две поверхности имеют одинаковую атомную структуру, в теории они могут периодически блокировать друг друга. В этом случае сила трения должна быть пропорциональна площади соприкосновения.
Однако если две поверхности имеют различные межатомные расстояния, атомы верхней поверхности не смогут «провалиться» далеко внутрь энергетической ямы, соответственно, при перемещении поверхностей друг относительно друга должна возникать меньшая сила трения. Исследователи видели доказательства существования этого эффекта в ряде своих экспериментов еще в 2004 году. Однако ни одно из предыдущих исследований не демонстрировало предсказанную зависимость силы трения от параметров объектов. Теория предсказывает, что при увеличении площади объектов сила трения между ними растет, но медленнее, чем в макроскопическом случае. И теперь группа ученых из University of Giessen (Германия) нашла подтверждение этого предсказания на эксперименте. Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Одна из причин того, что ранее на экспериментах фиксировалось лишь линейное увеличение силы трения с ростом площади поверхности, заключалось в том, что загрязнение поверхностей обеспечивает присутствие в области контакта мобильных атомов и молекул, которые могут заполнить пробелы между поверхностями. Чтобы избежать этого, ученые вырастили наноразмерные «скользящие блоки» на поверхности графита в условиях сверхвысокого вакуума.
Созданные ими наночастицы были сформированы из аморфной сурьмы (что обеспечило несовпадение атомного интервала с любой кристаллической поверхностью) или кристаллического золота. Перемещение наночастиц по поверхности осуществлялось при помощи зонда атомно-силового микроскопа (с его же помощью проводились также измерения действующей силы трения).
Исследования показали, что для аморфной сурьмы сила трения о поверхность увеличивается пропорционально квадратному корню из площади поверхности, что совпало с теоретическими предсказаниями. Получение тех же результатов для кристаллического золота было осложнено тем, что определенные фрагменты этого кристалла вписываются в «долины» на поверхности графита. Из-за этого и других факторов соотношение силы трения и площади соприкосновения поверхностей для золота зависит от направления перемещения, однако важно, что оно всегда было сублинейным (т.е. сила трения действительно росла медленнее при увеличении площади).
В своей работе исследователи показали, что полученные ими результаты могут распространяться и на отдельные атомы. Они предложили формулу «трения» для одного атома и обнаружили, что их результат согласуется с «липкостью» поверхности (характеристикой, измерявшейся другими группами при изучении диффузии одиночных атомов на поверхности графита). Как считают исследователи, эта связь в конечном итоге может привести к созданию более полной макроскопической модели трения, основанной на атомной физике.
Также по теме:
- Ученые предложили еще одно применение наночастиц из золота
- Ученые предложили эффективный катализатор на основе наночастиц платины
- Наночастицы демонстрируют свой истинный цвет
- Австралийские ученые получили больше информации взаимодействии биологических клеток с наночастицами
- Поверхностный заряд наночастиц влияет на характер их взаимодействия с клеточными мембранами
Источники: