Учёные научились «отключать» трение с помощью давления и электричества

Международная группа исследователей под руководством специалистов Университета Цинхуа впервые сумела изолировать так называемое электронное трение — тонкую силу сопротивления, возникающую при скольжении поверхностей на атомном уровне. Эксперимент показал, что этот вид трения можно либо полностью подавить механическим давлением, либо регулировать с помощью электрического напряжения, открывая новые возможности для создания настраиваемых наноповерхностей.

Трение остаётся одной из ключевых проблем в инженерии, ускоряя износ материалов и приводя к потерям энергии в виде тепла. Даже идеально гладкие поверхности теряют часть энергии на уровне электронов: при движении атомы одной поверхности передают часть кинетической энергии электронам другой, вызывая дополнительное сопротивление — электронное трение. Ранее его было трудно отделить от традиционного фононного трения, связанного с колебаниями атомов.

Для изучения этого эффекта команда под руководством Чжипина Сю создала экспериментальную платформу с использованием скользящих слоёв графита и различных подложек — металлических, полупроводниковых и изолирующих. Лёгкое вращение кристаллических решёток относительно друг друга создавало состояние структурной сверхсмазки, при котором атомные вибрации практически исчезали.

В этих условиях учёные смогли почти полностью подавить фононное трение и выделить вклад электронных эффектов. Эксперименты показали, как электронное трение зависит от скорости скольжения, структуры интерфейса и электронных свойств материалов.

При увеличении механического давления электронные состояния двух слоёв начинали перекрываться, объединяясь в единую систему. Это снижало число возбуждений электронов и фактически позволяло «выключать» электронное трение. В другом режиме на систему подавалось электрическое напряжение, которое изменяло распределение зарядов на границе раздела, позволяя точно регулировать сопротивление без его полного устранения.

Учёные отмечают, что результаты исследования открывают путь к созданию наноустройств с управляемым трением — от микроэлектромеханических систем до инновационных покрытий. В перспективе такие технологии способны значительно продлить срок службы материалов и уменьшить энергетические потери в миниатюрных механизмах.

Читайте также: