Trecie škrabanie na atómovej škále - vedecké spektrum

Trenie: poškriabanie na atómovej škále

Trenie a opotrebenie sú každodenné javy s obrovským technickým významom. Trenie vedie k stratám energie, pretože smerovaná kinetická energia sa premieňa na teplo a opotrebenie obmedzuje životnosť všetkých mechanických zariadení, od motorov automobilov až po pevné disky v počítačoch. Preto má výskum týchto javov dlhú históriu. Toto už dokumentujú obrázky pyramídovej stavby z faraónovej ríše: v záujme zníženia trenia veľkých dopravných saní starí Egypťania navlhčili piesočné chodníky.

Univerzálny génius Leonardo da Vinci (14521519) po prvýkrát ustanovil fyzikálne zákony trenia. Neboli však zverejnené a musel ich znovuobjaviť francúzsky fyzik Guillaume Amontons na konci 17. storočia. Charles-Augustin de Coulomb urobil prvé kroky pri hľadaní mikroskopických príčin trenia, vrátane mikroskopickej drsnosti povrchu v jeho úvahách. Trenie medzi dvoma telesami je v skutočnosti určené vytvorením, premiestnením a zničením veľkého počtu malých jednotlivých kontaktov.

Od zavedenia mikroskopie atómových síl je možné tieto procesy teraz pozorovať priamo. Rovnako ako ihla gramofónu prečíta symfóniu z geometrie drážok na zázname, môže hrot silového mikroskopu pocítiť atómovú štruktúru povrchu. To vedie k tomu, čo je známe ako správanie prišmyknutia: ak je hrot mikroskopu opatrne pretiahnutý cez plochý kryštalický povrch, zostáva uviaznutý v atómovej polohe (tyčinka), kým sila v ťahu neprekročí prahovú hodnotu; potom skočí do ďalšej takejto polohy (sklzu). Trenie sa mení s periodicitou atómovej mriežky, ktorú je možné takto mapovať.

Ako vzniká trecie teplo

Je pravda, že nejde o skutočné atómové rozlíšenie, pretože kontakt medzi špičkou a vzorkou pozostáva nielen z jedného, ale aj z mnohých atómov. Napriek tomu trecie experimenty ukazujú štruktúru atómovej mriežky. Dôvod môže objasniť porovnanie: Periodicitu kartónu s vajíčkami môžete určiť aj jemným presunutím iného kartónu.

Správanie sa pri sklze nie je v žiadnom prípade obmedzené na mikrokozmos. Stáva sa to aj v našom každodennom makroskopickom svete, napríklad so škrípajúcou brzdou, ktorá pevne sedí na ráfiku, kým sila kolesa neprestane točiť, nebude príliš veľká a neposunie ju o kúsok ďalej atď. Frekvenciu opakovania tohto procesu vnímame ako zvukovú vlnu.

Štúdium trenia v atómovom meradle preto nie je v žiadnom prípade iba akademickým záujmom. Ukázali to aj naše prvé experimenty s kovovými povrchmi. Podľa toho je atómové trenie a opotrebenie zásadne závislé od vyrovnania povrchu s kryštálovou mriežkou. Iba ak by bol napríklad medený kryštál rozrezaný rovnobežne s rovinou kryštálu, v ktorej sú atómy najtesnejšie zabalené, mohli by sme merať chovanie atómového lepidla bez opotrebenia. Na druhej strane, na iných povrchoch rovnakého kryštálu došlo k okamžitému odstráneniu ťažkého materiálu a nepravidelným skokom trecej sily v atómovej mierke.

Ústrednou otázkou je, ako presne sa vytvára teplo počas procesu trenia. Výslednú stratu energie sme boli schopní určiť priamo silovým mikroskopom: Je výsledkom súčinu nameranej trecej sily a dráhy hrotu. Ako sme zistili, energia sa zvyčajne stratí počas procesu pošmyknutia. Dá sa jasne predstaviť, že hrot ťahá za povrchové atómy, po ktorých rýchlo kĺže. Ich pohyb sa veľmi rýchlo prenáša na všetky susedné atómy a stráca sa v mriežkových vibráciách, teda v teple.

Opotrebenie možno tiež skúmať v atómových rozmeroch silovým mikroskopom. Z tohto dôvodu musí iba dostatočne zvýšiť tlak na hrote; v určitom okamihu poškriabe atómy z povrchu.

Podrobnejšie sme preskúmali túto počiatočnú fázu opotrebovania kryštálu bromidu draselného. Aby sme to dosiahli, najskôr sme relatívne vysokou úrovňou sily poškriabali škrabanec niekoľko atómových vrstiev hlboko do povrchu a potom ho s malým kontaktným tlakom rastrovali. Takto sme boli schopní ukázať nielen topografiu poškodenej oblasti, ale aj jej atómovú štruktúru vďaka správaniu typu stick-slip. Pokusy sme uskutočňovali vo vákuovej komore, aby sme minimalizovali vonkajšie vplyvy, ako je vlhkosť.

Na naše prekvapenie neboli ablované atómy v žiadnom prípade náhodne umiestnené okolo škrabanca, ale tvorili kopy usporiadaných vrstiev, ktoré sa dokonale prispôsobili kryštalickej báze. Zrejme sa pohybujú po povrchu, až kým sa nevrátia do normálnej polohy v kryštálovej mriežke, hoci špička mikroskopu s atómovou silou môže tomuto posunu pomôcť. Toto nové zistenie je dôležité pre pokusy o simuláciu procesu opotrebenia. Vhodné modely by mali brať do úvahy, že ablované atómy opäť takmer okamžite kryštalizujú, a tým znovu získavajú určitú silu.

Opotrebenie verzus trenie

Koľko kinetickej energie, keď dôjde k opotrebovaniu, spotrebuje v porovnaní s trením? To sa dá určiť aj silovým mikroskopom. Musíte len presne zmerať topografiu škrabanca. Výsledok odhalí, koľko atómov sa uvoľnilo z kryštálu. Súčet ich väzbových energií vo vzťahu k celkovej použitej energii, ktorý je výsledkom merania síl, poskytuje pomer, ktorý možno pripísať opotrebovaniu. Ako sme zistili, viac ako dve tretiny energie sa trením okamžite premenia na teplo a iba jedna tretina sa použije na rozbitie kryštálu.

Naše výskumy týkajúce sa strát energie a povrchových úprav v atómovom meradle určite pomôžu lepšie pochopiť trenie a opotrebenie aj na makroskopickej úrovni. Koniec koncov, oba svety sú často úzko prepojené. Opotrebenie piestov moderných motorov sa pohybuje v rozmedzí jedného nanometra za hodinu, čo zodpovedá niekoľkým atómovým vrstvám. Ochranná vrstva na magnetických úložných diskoch je hrubá iba niekoľko nanometrov, aby nebránila čítaniu bitov v najvyššom rozlíšení. Oter spôsobený nedobrovoľným kontaktom s čítacou hlavou je jedným z ústredných technologických problémov pri vývoji pevných diskov.

Naše výsledky by sa však mohli stať dôležitými aj v nanovedách. Je mysliteľné, že pozorovaná rekryštalizácia premiestnených atómov uľahčí nanotechnológom zostrojenie drobných štruktúr a zariadení, na ktoré sú zameraní.