Группа исследователей под руководством профессора Тянь-Бао Ма из Департамента машиностроения Университета Цинхуа предложила новую стратегию снижения трения и износа путём индуцирования динамического перераспределения электронной плотности с помощью применения переменного электрического тока.
Суть метода
Этот метод позволяет гибко и мгновенно модулировать трение, регулируя амплитуду и частоту переменного тока. Примечательно, что он поддерживает низкое трение и износ в течение длительного времени при высоком контактном давлении и плотности тока, требуя лишь низкого напряжения питания.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Трение и износ
Трение и износ являются повсеместными явлениями в повседневной жизни и основными источниками потерь энергии и деградации компонентов. Снижение трения было целью человечества на протяжении веков. Благодаря современному пониманию трения на атомном уровне исследователи смогли снизить трение, контролируя конфигурацию и движение межфазных атомов. Однако вопрос о том, как дополнительно снизить трение путём модуляции межфазных электронных свойств, остаётся неясным.
Открытие команды
Команда обнаружила, что в экспериментах с проводящей атомно-силовой микроскопией (c-AFM) применение переменного тока (AC) на определённых частотах может снизить силу трения между покрытым иридием проводящим наконечником AFM и графеном (на подложке из никеля) примерно на 75% и поддерживать этот низкий уровень трения в течение более 70 000 секунд при контактном давлении 9,1 ГПа и плотности тока 100 ГА/м$^2$, без заметного износа.
В отличие от снижения трения, вызванного механической вибрацией, оптимальная частота переменного тока для минимизации трения не соответствует резонансной частоте системы, а связана с частотой «волнистости». Более того, электростатическая сила, индуцированная переменным током (порядка 1 нН), значительно меньше нормальной нагрузки (примерно 840 нН), что указывает на другой механизм.
Расчёты на основе первых принципов показывают, что динамическое перераспределение электронной плотности, запускаемое переменным током, является ключевым механизмом снижения трения, который принципиально отличается от методов механической вибрации или тепловой активации.
При подаче напряжения смещения распределение электростатического потенциала на границе раздела меняется, вызывая перераспределение электронов на границе раздела, что, в свою очередь, изменяет межфазные атомные силы.
Для количественного понимания того, почему это динамическое перераспределение электронов влияет на трение, команда разработала модель PTT-E (Electrically-Thermally Activated Prandtl-Tomlinson). Эта модель показывает, что возмущение силы, вызванное перераспределением электронов, обеспечивает дополнительную движущую силу для атомов, чтобы преодолеть энергетические барьеры скольжения, тем самым снижая силу трения.
Прогнозы модели относительно того, как трение изменяется в зависимости от амплитуды переменного тока, частоты и скорости скольжения, хорошо согласуются с экспериментальными результатами и проливают свет на понимание и прогнозирование электронного вклада в модуляцию трения.
Команда также продемонстрировала, что этот электронно активированный эффект применим и к другим интерфейсам 2D-материалов и металлов, таким как системы Ir/graphene/Cu и Ir/h-BN/Au. В высокопроводящих системах перераспределение межфазной электронной плотности более выражено, что приводит к большему снижению трения.
Профессор Ма прокомментировал: «Этот механизм электрически активированного снижения трения применим к различным проводящим интерфейсам 2D-материалов, обеспечивая теоретическую основу для понимания и прогнозирования электронного вклада в модуляцию трения».
«Это может предложить новое решение одной из ключевых проблем, которая десятилетиями препятствовала практическому применению МЭМС/НЭМС — а именно, сильному износу при высоких механических нагрузках».
Предоставлено Университетом Цинхуа.