对无摩擦表面的新见解是节能技术的滑坡

虽然我们中的许多人都小心翼翼地避免在寒冷的天气中滑倒，但莱斯特大学领导的科学家们一直在研究如何使表面更加光滑!

他们解决了超润滑原理中的一个难题，即两个表面相互滑动时摩擦力几乎为零的状态。他们在《物理评论快报》杂志上发表了一篇论文，发表了他们的结论。

超润滑性与石墨烯等分子光滑表面有关，并且仅在实验室环境中观察到，这些表面是在纳米和微米尺度上合成的。它在技术应用中看起来非常有前景，与机器和机构中的传统系数相比，它可以将系数减少多达 1000 至 10000 倍。

大多数人凭直觉都会知道，较重的物体的衍射力(物体滑动的力矩)比较轻的物体大，也称为300多年前制定的阿蒙顿-库仑系数。

然而，它并不是用于超润滑性。这种现象比传统的摩擦力小数万倍，而且摩擦力并不依赖于物体的重量。换句话说，将物体的重量从几克增加到几十公斤是不会的改变难度的水平。

但是由莱斯特大学尼古拉·布里连托夫教授领导的一个国际科学家小组现在发现，由表面原子的随机振动引起的物体表面的“同步”波动会产生摩擦。这种振动存在于任何地方非零温度下，并且其强度随着温度的降低而降低。这意味着通过降低表面温度，可以进一步降低摩擦的影响。

莱斯特大学计算与数学科学学院的布里利安托夫教授表示：“与普通摩擦力的如此巨大差异很有趣，需要解释。超润滑性还有其他令人惊讶的特征，例如摩擦力对滑动速度的不同寻常的依赖性，温度和接触面积。所有这些依赖性都与传统的阿蒙顿-库仑定律所预测的相反。

“解释超润滑的神秘行为将有助于控制超低摩擦，这可以为其工业应用打开令人惊叹的视野。”

为了研究超润滑原理，创建了两个分子光滑表面的接触——尖端在基板上滑动，两者都覆盖有石墨烯层——并使用侧向力显微镜测量摩擦力。

他们还使用分子动力学模拟进行了“计算机”全面数值实验，以创建真实现象的非常逼真的模型。

两个表面应该是不相称的，这意味着一个表面的分子结构中的潜在“山丘”不应该适合另一表面的潜在“井”。

这些表面就像两个放在一起的蛋盒：如果它们装配在一起，它们就会锁定，并且需要更大的力才能导致滑动。

如果表面温度不为零，则由于热波动引起的表面波纹，会出现摩擦力。

科学家们证明，当两个表面同时弯曲并保持紧密接触时，“同步”热波动是造成摩擦的原因。

表面温度越高，同步涨落幅度越大;接触面积越大，阻碍相对运动的表面波动数量就越多。

布里连托夫教授补充道：“我们已经能够解释摩擦力与物体重量之间神秘的独立性的原子机制，并制定了新的超润滑摩擦定律。这些定律尽管与阿蒙顿-库仑定律形成鲜明对比，很好地描述了这种现象。

“一旦分子光滑表面层以毫米或厘米的尺寸生产出来，机器和机构中所有移动、旋转、振荡接触点都将被这种表面层覆盖。这将大大降低全球能源消耗。进一步降低能源消耗，最大的触点可能会保持在低温下。”

来源: Materials provided by University of Leicester.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Nikolay V. Brilliantov, Alexey A. Tsukanov, Artem K. Grebenko, Albert G. Nasibulin, Igor A. Ostanin. Atomistic Mechanism of Friction-Force Independence on the Normal Load and Other Friction Laws for Dynamic Structural Superlubricity. Physical Review Letters, 2023; 131 (26) DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.266201