Учёные из Аргоннской национальной лаборатории, исследуя условия, при которых возможно кардинально уменьшить трение между двумя твёрдыми поверхностями, придумали использовать для этого комбинацию графена и микроскопических алмазов. При этом алмазы служат аналогом шариков в подшипниках, уменьшая трение почти до нуля.
В нашем мире везде присутствует трение. Гладкие на первый взгляд поверхности содержат микроскопические неровности, которые, цепляясь друг за друга, противодействуют движению соприкасающихся предметов. В технике для уменьшения потерь энергии и предотвращения истирания движущихся частей используют смазку – иногда жидкую, иногда густую. В частности, хорошими смазывающими свойствами обладает смазка из графита.
В микромире на небольших идеально ровных поверхностях, соприкасающихся друг с другом, трение возникает из-за взаимного воздействия атомов. Например, у того же графита поверхность состоит из холмов и впадин, сильно напоминающих коробку для яиц. Если выровнять две соприкасающиеся поверхности, то они будут беспрепятственно скользить. Если же чуть повернуть одну из них, станут возникать зацепления и трение резко возрастёт.
Если две кристаллические поверхности обладают разным строением кристаллов, «несовместимым» друг с другом, трение между ними должно быть очень небольшим. Такое предположение и взялись проверить исследователи под руководством Анирудхи Суманта, физика и доктора наук.
Учёные измеряли силу трения между графеном и алмазоподобным углеродом. Первый, графен, представляет собою плоскую двумерную поверхность, а потому демострирует малое трение. Последний материал, diamond-like carbon (DLC) аморфен, как углерод, но при этом имеет некоторые свойства кристаллов алмаза. Его применяют в качестве покрытия для разных инструментов и приборов. DLC-покрытие придаёт такие свойства, как прочность, водостойкость и уменьшение силы трения.
В экспериментах получалось, что сила трения между двумя материалами меняется неравномерно. Изучив происходящее, учёные выяснили, что графен скатывается в небольшие рулончики, которые, катясь между поверхностями, иногда действуют как шарики в подшипниках, уменьшая трение. Тогда экспериментаторам пришло в голову усилить этот эффект, добавив между поверхностями небольшие алмазы.
Свойства алмаза позволяют получать очень мелкие его частицы, находящиеся практически на наноуровне. Результаты эксперимента обнадёжили учёных – нанорулончики частиц графена, оборачиваясь вокруг наноалмазов, обеспечили устойчивый эффект подшипника, и привели к практически полному исчезновению трения. Впервые получилось достичь суперскольжения между двумя материалами, которые не были идеальными микроскопическими поверхностями без всяких дефектов.
Исследуя свойства явления, учёные выяснили, что большая влажность (выше, чем относительная влажность в 30%), практически сводит эффект на нет. По-видимому, водяной пар, попадая между поверхностями, способствует их взаимному притяжению. Тем не менее, этот эффект наверняка получит применение с пользой в микроэлектронике, космической промышленности и других областях, в которых можно контролировать состояние окружающей среды.
